一种石墨烯基钠离子电池制造技术

本发明专利技术涉及电池技术领域，特别涉及一种石墨烯基钠离子电池，包括正极片、负极片、设置于正极片和负极片之间的隔膜和电解液，负极片包括负极集流体和设置于负极集流体上的负极涂层，负极涂层包括负极活性物质；电解液包括非水系溶剂和溶解于非水系溶剂中的钠盐，非水系溶剂包括至少一种通式（1）或者通式（2）的醚类化合物：R1‑O‑R2  (1)；R1‑O‑(R3‑O)

Graphene based sodium ion battery

The invention relates to the technical field of battery, in particular to a graphene based sodium ion battery, separator and electrolyte includes an anode plate and a cathode plate, is arranged between the positive plate and the negative plate, the negative plate comprises a cathode current collector and is arranged on the negative cathode coating fluid on the negative electrode coating includes an anode active material; electrolyte including a nonaqueous solvent and sodium salt dissolved in a nonaqueous solvent, a nonaqueous solvent comprising at least one compound of the general formula (1) or general formula (2) ether compounds: R1 O R2 (1); R1 O (R3 O)

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基钠离子电池
本专利技术涉及电池的
，特别涉及一种石墨烯基钠离子电池。
技术介绍
近年来，随着电子设备、电动工具、小功率电动汽车等迅猛发展，研究高效能、资源丰富以及环境友好的储能材料及器件是人类社会实现可持续发展的必要条件。目前主要的储能器件为锂离子电池，随着锂离子电池应用领域从便携式电子设备向电动汽车、大规模储能装置的快速扩展，对锂的需求量会急剧增大，但有限的锂资源和较高的价格限制了其在智能电网和可再生能源等大规模储能体系的应用。钠是地球上储量较为丰富的元素之一，其与锂的化学性质类似。因此钠离子电池与锂离子电池相类似，也是一种很有应用前景的电池材料。与锂离子电池相比，钠离子电池具有成本低、安全性能好等突出优势，因此有望在未来取代锂离子电池而被广泛应用。石墨烯具有丰富的表面活性位以及较高的理论比容量，极具成为实用化和商业化钠离子电池负极的潜力。但是，当采用锂电商业化的酯类溶剂时，溶剂的还原分解较严重，且与石墨烯表面的大量缺陷发生不可逆的反应，造成首次放电时钠离子消耗严重，而反应生成的固态电解质界面(SolidElectrolyteInterphase,SEI)也不稳定，因此首圈库伦效率极低且循环稳定性不佳，直接阻碍了钠离子电池的商业化应用。综上所述，提供一种能解决电解液与石墨烯类粉体材料的强烈不可逆反应并优化首圈库伦效率、可逆比容量及倍率性能的石墨烯基钠离子电池十分有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够有效降低电解液与石墨烯类粉体材料的不可逆反应且进一步优化综合电化学性能的钠离子电池。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种石墨烯基钠离子电池，包括正极片、负极片、设置于所述正极片和所述负极片之间的隔膜和电解液，所述负极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极涂层，所述负极涂层包括负极活性物质；所述电解液包括非水系溶剂和溶解于所述非水系溶剂中的钠盐，所述非水系溶剂包括至少一种通式(1)或者通式(2)所述的醚类化合物：R1-O-R2(1)；R1-O-(R3-O)n-R2(2)；通式(1)和通式(2)中，R1和R2相互独立地为直链或支链的C1至C6的烷基以及直链或支链的C1至C6的羟烷基，R3为直链或支链的C1-C5的亚烷基，并且n为1-4的整数；所述负极活性物质包括石墨烯类粉体材料。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述非水系溶剂为二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚以及和四乙二醇二甲醚中的至少一种一种或几种的混合。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述电解液还包括添加剂，所述添加剂与所述非水系溶剂的质量比值为(0.1-20)：100。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述添加剂为亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、碳酸亚乙烯酯(VC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的至少一种。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述电解液中的钠盐的摩尔浓度介于0.2mol/L-5mol/L之间。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述钠盐为高氯酸钠(NaClO4)、六氟磷酸钠(NaPF6)和三氟甲基磺酸钠(NaCF3SO3)中的至少一种或几种的组合。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述石墨烯为纯石墨烯、还原氧化石墨烯或掺杂石墨烯(如氮掺杂石墨烯、硼掺杂石墨烯)。当采用还原氧化石墨烯时，因其制备过程中向石墨烯引入一些缺陷，这些缺陷会具有一定的电化学活性，所以可逆比容量相比纯石墨烯会有所提升。此外，掺杂石墨烯会改变石墨烯的电子结构，提升导电性并提供一些额外的电化学活性位，改善综合电化学性能。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，化成后，在所述负极涂层表面形成有SEI膜，所述SEI膜包括外层膜和内层膜；所述外层膜为一层致密、均匀的有机层，成分为醚类溶剂的分解产物聚醚以及分解产物与钠离子形成的化合物(CH3-CH2)2-O-Na，所述外层膜在整个SEI膜中的含量在5-40％之间；所述内层膜为一层致密、均匀分布的有机和无机混合层，包括1-10wt.％的有机物、1-15wt.％的NaF、1-15wt.％的C-F、1-15wt.％的Na2SO3和1-5wt.％的RSO2OR，所述有机物包括聚醚和(CH3-CH2)2-O-Na，可以促进钠离子的传导，提升循环的稳定性。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述石墨烯类粉体的比表面积为100-3000m2/g，比表面积不大时，可以适当提供有效的电化学活性位，提升可逆比容量；当比表面积太大时，会造成电解液的大量不可逆分解，降低可逆比容量。作为本专利技术石墨烯基钠离子电池的一种改进，所述石墨烯类粉体含有0.1-30wt％的含氧官能团，含氧官能团数量不多时，可以增加可逆比容量；太多时会影响导电性，降低比容量。本专利技术提供的钠离子电池电解液采用醚类化合物作为非水性溶剂，能够大幅度提高石墨烯基钠离子电池的首圈充放电库伦效率、充放电比容量、循环稳定性能以及倍率性能。使用线状醚类作为溶剂时，由于“螯合”作用钠离子极易与线性醚类分子进行溶剂化，结合很紧密。所以当电压低于0.6-0.8V时，溶剂分解导致的不可逆反应很小；而若是酯类则会发生显著的溶剂分解，在首圈发生极大的不可逆反应，这是造成首次库伦效率存在巨大差异的主要原因。此外，石墨烯储钠主要是基于表面双电层和赝电容机理。以醚类作为溶剂的电解液前几圈充放电结束后形成的固态电解质界面更致密、更均匀且离子导电性更好，更有利于钠离子的扩散和反应，这是造成循环稳定性和倍率性能显著提升的主要原因。最后，醚类电解液与石墨烯表面缺陷的可逆反应活性更高，而酯类电解液更易与表面缺陷发生不可逆反应，这是造成充放电比容量存在较大差异的主要原因。本专利技术提供的钠离子电池电解液采用醚类化合物作为非水性溶剂，能够大幅度提高石墨烯基钠离子电池的首圈充放电库伦效率、充放电比容量、循环稳定性能以及倍率。附图说明图1是本专利技术实施例1和对比例1的钠离子电池首圈和第二圈充放电曲线图；图2是本专利技术实施例1和对比例1的钠离子电池100次充放电循环性能图；图3是本专利技术实施例1和对比例1的钠离子电池倍率性能图。具体实施方式本专利技术提供了一种石墨烯基钠离子电池，包括正极片、负极片、设置于所述正极片和所述负极片之间的隔膜和电解液，所述负极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极涂层，所述负极涂层包括负极活性物质；所述隔膜无特殊限定，其可以为常规的锂离子电池使用的隔膜。所述电解液包括非水系溶剂和溶解于所述非水系溶剂中的钠盐，所述非水系溶剂包括至少一种通式(1)或者通式(2)所述的醚类化合物：R1-O-R2(1)；R1-O-(R3-O)n-R2(2)；通式(1)和通式(2)中，R1和R2相互独立地为直链或支链的C1至C6的烷基以及直链或支链的C1至C6的羟烷基，R3为直链或支链的C1-C5的亚烷基，并且n为1-4的整数；所述负极活性物质为石墨烯类粉体材料。优选的，R1和R2各自相互独立为选自CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CH3(CH)3-、-CH2OH、-CH2CH2OH和(CH3)2CH-组成的烷基或羟烷基。具体地，所述线状醚类可以为二甲醚(DME)、二乙二醇二甲醚(Diglym本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯基钠离子电池，包括正极片、负极片、设置于所述正极片和所述负极片之间的隔膜和电解液，所述负极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极涂层，所述负极涂层包括负极活性物质；所述电解液包括非水系溶剂和溶解于所述非水系溶剂中的钠盐，其特征在于，所述非水系溶剂包括至少一种通式(1)或者通式(2)所述的醚类化合物：R1‑O‑R2  (1)；R1‑O‑(R3‑O)

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基钠离子电池，包括正极片、负极片、设置于所述正极片和所述负极片之间的隔膜和电解液，所述负极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极涂层，所述负极涂层包括负极活性物质；所述电解液包括非水系溶剂和溶解于所述非水系溶剂中的钠盐，其特征在于，所述非水系溶剂包括至少一种通式(1)或者通式(2)所述的醚类化合物：R1-O-R2(1)；R1-O-(R3-O)n-R2(2)；通式(1)和通式(2)中，R1和R2相互独立地为直链或支链的C1至C6的烷基以及直链或支链的C1至C6的羟烷基，R3为直链或支链的C1-C5的亚烷基，并且n为1-4的整数；所述负极活性物质包括石墨烯类粉体材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯基钠离子电池，其特征在于，所述非水系溶剂为二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚以及和四乙二醇二甲醚中的至少一种一种或几种的混合。3.根据权利要求1所述的石墨烯基钠离子电池，其特征在于，所述电解液还包括添加剂，所述添加剂与所述非水系溶剂的质量比值为(0.1-20)：100。4.根据权利要求3所述的石墨烯基钠离子电池，其特征在于，所述添加剂为亚硫酸乙烯酯(ES)、亚硫酸丙烯酯(PS)、碳酸亚乙烯酯(VC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的至少一种。5.根据权利要求1所述的石墨烯基钠离子电池，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨全红，张俊，吕伟，张思伟，郑德群，游从辉，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44