一种多孔锡箔负极及其制备方法和钠离子二次电池技术

本发明专利技术提供了一种多孔锡箔负极，包括多孔锡箔，所述多孔锡箔上设有多孔孔洞，以相邻三个孔洞的中心连线构成的三角形区域为最小单元，每个所述最小单元中孔洞的面积占比均为1％‑89％，所述多孔锡箔的边缘与多孔孔洞之间的距离为0.1mm‑10mm。该多孔锡箔负极可应用于以锡箔同时作为集流体和负极活性材料的新型钠离子电池体系中，有效解决锡钠合金化带来的电池膨胀问题，且可以有效降低电解液在电池充放电循环过程中固体电解质膜被破坏而分解的问题，以及由于锡箔毛刺刺破隔膜导致的短路问题，进而提高电池的充放电效率、循环稳定性以及安全性能。本发明专利技术还提供了一种多孔锡箔负极的制备方法和钠离子二次电池。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔锡箔负极及其制备方法和钠离子二次电池
本专利技术涉及钠离子二次电池
，特别是涉及一种多孔锡箔负极及其制备方法和钠离子二次电池。
技术介绍
2016年，中国科学院深圳先进技术研究院在新型高效电池研究方面取得突破性进展，开发了一种全新的铝-石墨双离子电池技术，该研究成果发布在《AdvancedEnergyMaterials》上(DOI:10.1002/aenm.201502588)，该新型高效电池体系利用铝箔作为负极片，铝箔同时充当集流体和负极活性材料，由于减少了传统的负极活性材料，比能量密度更高、成本更低，具有极大的应用前景。与此同时，该研究院针对双离子电池进行深入的研究并提出了锡-石墨双离子电池技术，该电池以石墨作为正极，以锡箔同时作为负极活性材料和集流体，利用阳离子钠和锡充放电时形成合金和去合金以及阴离子在石墨中嵌入和脱出的形式实现电池工作。虽然由于减少了传统的负极活性材料，这种新型高效电池体系的比能量密度更高、成本更低，但是利用锡箔作为负极极片时存在一些问题，例如锡钠合金化时产生的体积膨胀(112％)使得负极粉化的问题，以及锡箔充放电过程中与电解液兼容的问题，从而影响电池充放电效率、循环性能以及安全性能。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术第一方面提供了一种多孔锡箔负极，该多孔锡箔负极可应用于以锡箔同时作为集流体和负极活性材料的新型电池体系中，其可以有效解决电池膨胀问题，且可以有效降低电解液在电池充放电循环过程中固体电解质膜被破坏而分解的问题，以及由于锡箔毛刺刺破隔膜导致的短路问题，进而提高电池的充放电效率、循环性能以及安全性能。具体地，第一方面，本专利技术提供了一种多孔锡箔负极，包括多孔锡箔，所述多孔锡箔上设有均匀排布的多孔孔洞，以相邻三个孔洞的中心连线构成的三角形区域为最小单元，每个所述最小单元中孔洞的面积占比均为1％-89％，所述多孔锡箔的边缘与最外围的多孔孔洞之间的距离为0.1mm-10mm。本专利技术中，所述多孔锡箔负极中，所述多孔锡箔同时充当集流体和负极活性材料。众所周知，电池极片活性材料涂覆均匀性和一致性是电池电性能和安全性能关键因素，因此在电池制造过程中，需要严格控制正负极片活性物质涂覆的均匀性。同样在以多孔锡箔同时作为集流体和负极活性材料的新型钠离子电池体系中，也需要严格控制多孔锡箔的均一性，所以多孔锡箔的孔径的大小和孔分布的均匀性是决定其能否作为负极活性材料兼集流体的硬性指标。本专利技术中，可选地，每个所述最小单元中，孔洞的面积占比均为25％-60％。本专利技术中，优选地，每个最小单元的孔洞面积占比相等。最小单元的孔洞面积占比决定了多孔锡箔负极能承受的嵌锂体积膨胀大小，因此可根据预设计的电池中多孔锡箔负极分别充当集流体和活性物质的面积占比而设定。具体地，由于钠离子嵌入锡箔形成锡钠合金时，其体积膨胀达112％，因此本专利技术按锡钠合金化时一倍体积变化率进行预留空间设计。即若预设计的电池中，最小单元内多孔锡箔负极充当活性物质的面积占比为20％，充当集流体的面积占比为20％-57％，则最小单元内的孔洞面积占比可优选设置为23％，或者大于23％，如23％-60％，从而为钠离子嵌入锡箔形成锡钠合金带来的体积变化提供预留空间。目前机械加工得到的大尺寸多孔锡箔，在分切成极片时，锡箔边缘会因为孔被破坏而毛片，出现大量的毛刺。当组装成电池时锡箔毛刺会刺破隔膜形成短路，影响电池性能。本专利技术通过将多孔锡箔负极的边缘预留一定距离不设置孔洞，可以有效避免毛片和毛刺的产生，提高电池稳定性和安全性。本专利技术中，进一步可选地，所述多孔锡箔的边缘与最外围多孔孔洞之间的距离为2mm-5mm。本专利技术中，所述多孔锡箔上，以相邻两横排的相邻三个孔洞的中心连线构成的等腰三角形区域为最小单元，且每个最小单元的孔洞面积占比相等。进一步可选地，横向任意相邻的两个孔洞的间距相等，纵向任意相邻的两个孔洞的间距相等。可选地，横向任意相邻的两个孔洞的间距与纵向任意相邻的两个孔洞的间距相等。可选地，横向任意相邻的两个孔洞的间距与相邻两横排的间距相等。可选地，所述多孔锡箔的多孔孔径为20nm-2mm。进一步地，多孔孔径为50μm-1.5mm。进一步优选地，多孔孔洞的孔径大小相等。本专利技术中，所述多孔锡箔的多孔孔洞的形状可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形、棱形、三角形、多边形、五角星、梅花形等，形状不作限制。孔洞的边长越大，越有利于钠离子的嵌入。本专利技术中，所述多孔锡箔的表面进一步设置有碳材料层，其中，可选地，所述碳材料层的材质包括为硬炭、软炭、导电炭黑、石墨烯、石墨片和碳纳米管中的一种或多种材料，所述碳材料层的厚度为2nm-5μm。进一步地，所述碳材料层的厚度为200nm-3μm。本专利技术第一方面提供的多孔锡箔负极，其多孔孔洞可以为钠离子嵌入锡箔形成锡钠合金带来的体积变化提供足够的预留空间，从而使负极极不会发生膨胀问题，解决了电池膨胀问题；将多孔锡箔负极的边缘预留一定距离不设置孔洞，可以有效避免毛片和毛刺的产生，提高电池稳定性和安全性；而通过在多孔锡箔表面设置碳材料层，可以使得电池充放电时电解液在多孔锡箔负极表面形成稳定的固体电解质膜，有效降低电解液在电池充放电循环过程中固体电解质膜被破坏而分解的问题，进而提高电池的充放电效率、循环性能以及安全性能。第二方面，本专利技术提供了一种多孔锡箔负极的制备方法，包括以下步骤：采用机械模压、化学蚀刻、激光切割、等离子刻蚀和电化学刻蚀中的一种或多种方式加工得到多孔锡箔，即得到多孔锡箔负极；所述多孔锡箔上设有均匀排布的多孔孔洞，以相邻三个孔洞的中心连线构成的三角形区域为最小单元，每个所述最小单元中孔洞的面积占比均为1％-89％，所述多孔锡箔的边缘与最外围的多孔孔洞之间的距离为0.1mm-10mm。具体地，多孔锡箔的制备可先根据电池的型号或电池容量设计要求，结合正极材料种类、比容量、压实密度等因素设计正极片面密度，随后按照钠离子和锡箔形成锡钠合金物质，比容量为225.76mAh/g，设计电池负极片的孔隙率、尺寸(长度、宽度、厚度)；再根据负极片的孔隙率、尺寸设计多孔锡箔的孔径大小、孔形状及孔分布；最后采用机械模压、化学蚀刻、等离子刻蚀、电化学刻蚀等任何一种或几种共同加工的方式，结合上述的设计方案加工制造出多孔锡箔，并利用压缩空气进行吹扫去除毛刺。本专利技术中，所述多孔锡箔上，以相邻两横排的相邻三个孔洞的中心连线构成的等腰三角形区域为最小单元，且每个最小单元的孔洞面积占比相等。进一步可选地，横向任意相邻的两个孔洞的间距相等，纵向任意相邻的两个孔洞的间距相等。可选地，横向任意相邻的两个孔洞的间距与纵向任意相邻的两个孔洞的间距相等。可选地，横向任意相邻的两个孔洞的间距与相邻两横排的间距相等。可选地，所述多孔锡箔的多孔孔径为20nm-2mm。进一步地，多孔孔径为50μm-1.5mm。进一步优选地，多孔孔洞的孔径大小相等。本专利技术中，所述多孔锡箔的多孔孔洞的形状可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形、棱形、三角形、多边形、五角星、梅花形等，形状不做限制。进一步可选地，每个所述最小单元中，孔洞的面积占比均为25％-60％。进一步可选地，所述多孔锡箔的边缘与最外围多孔孔洞之间的距离为2mm-5mm。这样在将机械加工得到的大尺寸多孔锡箔分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔锡箔负极，其特征在于，包括多孔锡箔，所述多孔锡箔上设有均匀排布的多孔孔洞，以相邻三个孔洞的中心连线构成的三角形区域为最小单元，每个所述最小单元中孔洞的面积占比均为1％‑89％，所述多孔锡箔的边缘与最外围的多孔孔洞之间的距离为0.1mm‑10mm。

【技术特征摘要】
1.一种多孔锡箔负极，其特征在于，包括多孔锡箔，所述多孔锡箔上设有均匀排布的多孔孔洞，以相邻三个孔洞的中心连线构成的三角形区域为最小单元，每个所述最小单元中孔洞的面积占比均为1％-89％，所述多孔锡箔的边缘与最外围的多孔孔洞之间的距离为0.1mm-10mm。2.如权利要求1所述的多孔锡箔负极，其特征在于，以相邻两横排的相邻三个孔洞的中心连线构成的等腰三角形区域为最小单元，且每个最小单元的孔洞面积占比相等。3.如权利要求2所述的多孔锡箔负极，其特征在于，横向任意相邻的两个孔洞的间距相等，纵向任意相邻的两个孔洞的间距相等。4.如权利要求3所述的多孔锡箔负极，其特征在于，横向任意相邻的两个孔洞的间距与纵向任意相邻的两个孔洞的间距相等。5.如权利要求3所述的多孔锡箔负极，其特征在于，横向任意相邻的两个孔洞的间距与相邻两横排的间距相等。6.如权利要求1所述的多孔锡箔负极，其特征在于，所述多孔孔洞的孔径大小相等。7.如权利要求1所述的多孔锡箔负极，其特征在于，每个所述最小单元中，孔洞的面积占比均为25％-60％。8.如权利要求1所述的多孔锡箔负极，其特征在于，所述多孔锡箔的边缘与最外围多孔孔洞之间的距离为2mm-5mm。9.如权利要求1所述的多孔锡箔负极，其特征在于，所述多孔孔洞的孔径为20nm-2mm，所述孔洞的形状包括圆形、椭圆形、正方形、长方形、棱形、三角形、多边形、五角星、梅花形中的一种或多种。10.如权利要求1所述的多孔锡箔负极，其特征在于，所述多孔锡箔的表面进一步设置有碳材料层，所述碳材料层的厚度为2nm-5μm。11.如权利要求10所述的多孔锡箔负极，其特征在于，所述碳材料层的材质为硬炭、软炭、导电炭黑、石墨烯、石墨片和碳纳米管中的一种或多种。12.一种多孔锡箔负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用机械模压、化学蚀刻、激光切割、等离子刻蚀和电化学刻蚀中的一种或多种方式加工得到多孔锡箔，即得到多孔锡箔负极；所述多孔锡箔上设有均匀排布的多孔孔洞，以相邻三个孔洞的中心连线构成的三角形区域为最小单元，每个所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，谢呈德，圣茂华，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44