硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法技术

本发明专利技术涉及硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法，本发明专利技术选用商业化硬碳作为钠离子电池的负极材料，NaPF

【技术实现步骤摘要】
硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法
：本专利技术提供硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法，属于钠离子电池

技术介绍
：锂离子电池(LIBs)作为一种新型储能装备已经受到广泛关注(Adv.Mater.2018,30,1800561)。但是随着人们对大型储能装备的需求，锂资源含量的匮乏以及昂贵的价格限制了锂离子电池在大型储能设备中的发展。相对而言，钠离子电池(NIBs)虽然能量密度较低，但在自然界中的含量丰富，与锂的化学性能类似，钠离子电池与锂离子电池的组成、原理相似，可以用铝箔作为集流体，降低了组装成本，越来越受到科研工作者的青睐。但是由于钠离子半径比锂离子半径大，使得钠离子在循环过程中，发生大的体积膨胀效应，从而导致容量的衰减。因此寻找高容量、长循环寿命、优异倍率性能的钠离子负极材料仍然是目前面临的一个挑战(Chem.Soc.Rev.2017,46,3529)。相对于合金机制的Sb和Sn的负极材料(Adv.Mater.2017,29,1700622)，和转化机制的过渡金属氧化物和硫化物(Adv.Funct.Mater.2018,28,1804458)，脱嵌机制的材料是最具商业应用潜力的材料(锂离子电池已经给了我们证明)，但是已经商业化的锂电负极石墨材料，在钠离子电池中表现出的性能不优异，因为，石墨的层间距并不适合离子半径较大的钠离子进行脱嵌，相对而言，硬碳材料具有无序的结构，更有利于钠离子的吸附和脱嵌(Adv.EnergyMater.2017,7,1602898)。目前，人们对于硬碳材料的研究分为以下几类：第一，运用不同的原料合成结构不同的硬碳材料，比如纳米结构、空心结构、二维结构等等(J.AlloysCompd.2017,701,870)，虽然这些材料表现出好的电化学性能，但是没有商业应用价值。生产中需要的是微米级的材料，具有小的比表面积和高的振实密度，从而表现出高的体积比容量。第二，是对硬碳材料反应机制的探究，综合众多研究，大部分人认为硬碳材料在酯类电解液属于吸附-嵌入机理(Adv.EnergyMater.2017,7,1700403)。并通过各种原位/离位表征手段给出了证明。第三，探究不同电解液以及添加剂对电化学性能的影响(EnergyStorageMater.2019,16,146)。现有对硬碳材料的研究大都是利用实验室合成的硬碳，对商业化硬碳的利用以及研究很少，同时将硬碳材料用于电池中都忽视了界面膜的形成以及对电化学性能的影响，得到的电池电化学性能都不高。
技术实现思路
：针对现有技术的不足，本专利技术提供硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法。本专利技术选用商业化硬碳作为钠离子电池的负极材料，NaPF6-DGM为电解液，Celgard2325为隔膜，组成钠离子电池，通过原位/离位手段对其在该条件下的电化学反应机制、SEI膜的形成机理和成分、以及电解液浓度对其电化学性质的影响进行验证，证明了，在本专利技术的应用条件下组成的钠离子电池在电化学性质上是具有更小的极化电压和优异的循环倍率性能，具有高首效和高库伦效率，兼顾高容量和长寿命，循环3500圈，仍然具有224.4mAhg-1的容量。术语说明：硬碳：是指难以被石墨化的碳，通过高分子聚合物的热分解得到的碳。商业化硬碳：市场在售硬碳。为达到以上目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的：硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法，该应用方法包括：选用商业化硬碳为负极材料，硬碳尺寸为2-10um，比表面积为3-4m2/g，密度为1-2g/cc；将负极材料与导电剂、粘结剂负载在集流体上制得负极片，NaPF6-DGM溶液为电解液，Celgard2325膜为隔膜，与正极片组成钠离子电池。根据本专利技术优选的，所述的NaPF6-DGM溶液为NaPF6溶于二乙二醇二甲醚(DGM)的混合液，二乙二醇二甲醚(DGM)中NaPF6的浓度为0.5-2.5mol/L。进一步优选的，二乙二醇二甲醚(DGM)中NaPF6的浓度为1mol/L。根据本专利技术优选的，隔膜的厚度为20-30um。根据本专利技术优选的，负极片的导电剂为乙炔黑，粘结剂为海藻酸钠SA和/或丁苯乳胶SBR，溶剂为水，集流体为铜箔，负极材料、导电剂、粘结剂的质量比为8:1:1。根据本专利技术优选的，负极片是按如下方法制备得到：将负极材料、导电剂、粘结剂按质量比8:1:1的比例混合后再加入水，球磨成浆料后涂覆于集流体上，涂覆后于60℃下真空干燥，干燥后滚压，切割成极片，单位面积上硬碳材料的质量为1.5～2.0mgcm-2。根据本专利技术优选的，正极片是按如下方法制备得到的：将活性材料、导电剂、粘结剂按质量比8:1:1的比例混合后，加入氮甲基吡咯烷酮(NMP)，球磨成浆料后涂覆于铝箔上，涂覆后于80℃下真空干燥，干燥后滚压，切割成极片，单位面积上活性材料的质量为4.0-5.0mgcm-2。根据本专利技术优选的，正极导电剂为乙炔黑和/或KS-6，粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF5130)。根据本专利技术优选的，当组成钠离子半电池时，正极片上的活性材料为Na片，当组成钠离子全电池时，正极片上的活性材料为NaV2(PO4)3/C，NaV2(PO4)3/C尺寸为5-10um。本专利技术的钠离子电池具有以下几个显著的特点：1、本专利技术的应用方法采用NaPF6-DGM溶液为电解液，NaPF6相比于NaClO4更加安全，NaClO4在高温下分解容易产生氧气，在密闭的环境中容易爆炸。DGM相比于碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯(EC/DEC)粘度更低，更加有利于电荷的传输，表现在电化学性质上是具有更小的极化电压和优异的倍率性能。隔膜为Celgard2325，相比于WhatmanGF/F玻璃纤维膜更加坚韧，阻碍锂枝晶的穿过，使电池更加安全并具有更长的寿命。而且具有更好的柔性，更适合商业化的软包电池。2、本专利技术的应用方法负极硬碳材料在醚类电解液中具有和酯类电解液相同的反应机制。通过原位XRD表征得出同样为吸附/嵌入机制，说明本专利技术采用的电解液并没有改变材料的反应机制。3、本专利技术的应用方法硬碳材料以及电解液不会使循环过程中SEI膜分解与重新生成，而是更加坚硬，通过离位核磁技术验证，在首次充放电时，本专利技术的电解液只有溶质NaPF6发生了分解，而溶剂DGM并没有生变化，不同于酯类电解液中，溶质和溶剂都发生了变化，说明本专利技术的电解液中SEI膜的成分只有无机物，更加坚硬，不会在循环过程中分解与重新生成，与钠电池具有高首效和高库伦效率是完全符合对应。4、本专利技术的应用方法钠离子电池的SEI膜的厚度可以通过调节电解液的浓度进行控制，电解液的溶度还会影响嵌钠个数，本专利技术采用1M的NaPF6-DGM的电解液浓度兼具高容量和长寿命；在1Ag-1的电流密度下，循环3500圈，仍然具有224.4mAhg-1的容量。5、本专利技术选用商业化硬碳作为钠离子电池的负极材料，NaPF6-DGM为电解液，Celgard2325为隔膜，组成的钠离子电池，在电化学性质上具有更小的极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法，该应用方法包括：选用商业化硬碳为负极材料，硬碳尺寸为2-10um，比表面积为3-4m

【技术特征摘要】
1.硬碳负极材料在钠离子电池上的应用方法，该应用方法包括：选用商业化硬碳为负极材料，硬碳尺寸为2-10um，比表面积为3-4m2/g，密度为1-2g/cc；将负极材料与导电剂、粘结剂负载在集流体上制得负极片，NaPF6-DGM溶液为电解液，Celgard2325膜为隔膜，与正极片组成钠离子电池。


2.根据权利要求1所述的应用方法，其特征在于，所述的NaPF6-DGM溶液为NaPF6溶于二乙二醇二甲醚(DGM)的混合液，二乙二醇二甲醚(DGM)中NaPF6的浓度为0.5-2.5mol/L。


3.根据权利要求2所述的应用方法，其特征在于，二乙二醇二甲醚(DGM)中NaPF6的浓度为1mol/L。


4.根据权利要求1所述的应用方法，其特征在于，隔膜的厚度为20-30um。


5.根据权利要求1所述的应用方法，其特征在于，负极片的导电剂为乙炔黑，粘结剂为海藻酸钠SA和/或丁苯乳胶SBR，溶剂为水，集流体为铜箔，负极材料、导电剂、粘结剂的质量比为8:1:1。

【专利技术属性】
技术研发人员：杨剑，潘军，钱逸泰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37