钠离子电池组制造技术

本发明专利技术涉及一种钠离子二次电池，包括阴极和阳极，其中阴极包括一种或多种阴极活性材料，阴极活性材料包括至少一种层状含镍氧化钠材料，阳极包括布置在阳极基底上的阳极活性材料层；其中阳极活性材料层包括至少一种无序碳材料，每平方米阳极基底的阳极活性材料层的质量小于80gm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钠离子电池组
本专利技术涉及表现出优异的负极活性材料容量和稳定的循环性能的钠离子二次电池。此外，本专利技术提供了一种用于制造这些钠离子二次电池的方法，以及包括这种钠离子二次电池的电池组。
技术介绍
钠离子电池在许多方面类似于当今普遍使用的锂离子电池。它们都是可重复使用的二次电池，包括阳极(负极)，阴极(正极)和电解质材料，都能够存储能量，并且它们都通过类似的反应机理进行充电和放电。当钠离子(或锂离子)电池组充电时，Na+(或Li+)离子从阴极脱嵌并嵌入阳极。同时，电荷平衡电子从阴极穿过包含充电器的外部电路进入电池组的阳极。在放电期间发生相同的过程，但方向相反。近年来，锂离子电池组技术备受关注，为当今使用的大多数电子设备提供了首选的便携式电池组；然而，锂并不是一种廉价的金属来源，并且被认为对于大规模应用来说过于昂贵。相比之下，钠离子电池组技术被认为具有许多优势，尤其是因为钠比锂丰富得多，而且预计这将在未来提供一种更便宜、更耐用的方式来储存能量，特别是用于诸如在电网上存储能量的大规模应用。目前正在努力使钠离子电池组成为商业现实。需要更多关注的一个领域是对钠离子电池的设计以优化其电化学性能。WO2017/073056描述了一种钠离子电池组中的无源电压控制的方法，以作为实现有用的二次钠电池的一种方式。具体地，该方法包括控制负极活性材料的质量与正极活性材料的质量的比率，以确保该比率大于0.37且小于1.2。这相当于阴极：阳极活性材料质量比(在本文中称为“C/A质量平衡”)在0.833至2.70的范围内。尽管未在WO2017/073056中明确公开，但从与该现有技术的专利技术人的合作中了解到，他们使用的阳极包含每平方米阳极基底100-130gm-2的负极活性材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供表现出优异的阳极和阴极活性材料容量以及稳定的循环性能的钠离子二次电池。本专利技术的钠离子二次电池还将是有成本效益的且易于制备。为此，申请人意外地发现，虽然使用0.833至2.70范围内的C/A质量比在某种程度上为钠离子二次电池提供了有用的阳极首次脱钠容量，但通过选择C/A比与其他选定的电池构造参数相结合，仍有可能进一步增加这些阳极容量。申请人在下文解释并证明了这些令人惊讶的结果。因此，本专利技术提供了一种钠离子二次电池，其包括阴极和阳极，其中阴极包括一种或多种正极活性材料，并且阳极包括布置在阳极基底上的负极活性材料层，优选为均匀的层；其中负极活性材料层包含一种或多种无序的含碳材料；其特征在于：i)阳极基底的负极活性材料层的质量≤80g/m2；ii)正极活性材料的质量与负极活性材料层的质量之比为0.1至10；以及iii)阳极基底上的负极活性材料层的厚度≤100μm，优选地≤80μm。为明确起见，单位“gm-2”(克每平方米)是指每单位面积(m2)基底的活性电极材料的质量(g)，在此也称为“GSM”。如本文所使用的，“阳极活性材料”相当于“负极活性材料”，“阴极活性材料”相当于“正极活性材料”。如以下具体实施例所示，阴极活性材料和阳极活性材料的质量比很重要，但申请人发现，正是阳极活性材料的质量对阳极容量结果施加了更大的控制，随着阳极活性材料的质量相对于阴极活性材料的恒定质量降低，观察到阳极容量的不断提高的结果。而且，申请人发现，使用质量超过80gm-2的阳极活性材料是不利的，因为会发生镀钠的问题。由于各种原因，镀钠是非常不期望的。首先，在大多数常用的钠离子电解质中，一旦在充电循环中发生镀钠(在阳极上嵌钠)，它就无法在放电循环中被有效地剥离。这意味着电池的库仑效率将随着每个这样的循环而降低，并且所实现的电池容量也将随着发生镀钠的每个经历的循环而显著且逐渐地降低(由于钠从阴极损失)。其次，在每个充电循环期间重复的镀钠和在放电循环期间低效的剥离导致沉积在阳极上的钠金属形成树枝状形态，这可能使电池组内部短路，从而引起爆炸。显然，这可能是一个重大的安全隐患。当阳极基底的每平方米的负极活性材料层的质量为大于25gm-2至小于80gm-2时，获得了一些最有前景的阳极首次脱钠容量结果(例如270mAh/g或更高的值)，而当阳极基底的每平方米的负极活性材料层的质量为40gm-2至75gm-2时，优选为40gm-2至65gm-2时，获得了最佳的阳极首次脱钠容量结果，以及同时，当每平方米的负极活性材料的质量在后两个范围内时，获得了最高的循环稳定性(即，每个循环的容量衰减最小)。在根据本专利技术的特别优选的钠离子二次电池中，正极活性材料的质量与负极活性材料层的质量之比(即C/A质量平衡)为0.5至10，优选为1.0至10，进一步优选为1至5，理想地为2.0至3.5，特别优选为2.0至2.75。具有在这些优选范围内的C/A质量平衡的钠离子电池表现出非常高的阳极首次脱钠容量以及优异的循环稳定性的其他意外的好处。最有利的是那些具有2.05至2.90范围内的C/A比并且还包含有在所述优选范围内的阳极活性材料质量的钠离子电池。在二次电池组电池的生产过程中，通常在基底(例如集电器箔)上形成阳极或阴极活性材料层，然后通过使涂覆的基底通过一系列辊来“压延”涂覆的基底，以使基板上的电极材料达到均匀的厚度。在典型的钠离子电池中，阳极活性材料的压延后的厚度将在100μm至140μm的范围内，阴极活性材料的压延后的厚度将为80-110μm。令人惊讶的是，本申请人已经发现，对于具有相似密度的阳极活性材料层，以下两者之间存在明显的关系：一者是钠离子在嵌入和脱嵌期间在阳极活性材料内传输的能力，另一者是阳极活性材料的厚度。特别地，本申请人已经观察到，与具有可比密度的较厚的阳极材料层相比，较薄的阳极活性材料层产生不成比例且出乎意料地更高的阳极首次脱钠容量。本专利技术的钠离子二次电池中使用的阳极基底上的负极活性材料层的厚度如上所述，即≤100μm，优选地≤80μm。根据本专利技术的钠离子二次电池可以包含任何已知的能够嵌入和析出钠离子的正极活性材料。合适的实例包括金属硫化物化合物(例如TiS2)、金属氧化物化合物、含磷酸盐的化合物、含聚阴离子的化合物、普鲁士蓝类似物和为以下通式的镍酸盐或非镍酸盐化合物：A1±δM1VM2WM3XM4YM5ZO2-c其中，A为选自钠、钾和锂的一种或多种碱金属；M1包含一种或多种氧化态+2的氧化还原活性金属，优选一种或多种选自镍、铜、钴和锰的氧化态+2的氧化还原活性金属；M2包括氧化态大于0至大于或等于+4的金属；M3包含氧化态+2的金属；M4包括氧化态大于0至小于或等于+4的金属；M5包括氧化态+3的金属；其中0≤δ≤1；V>0；W≥0；X≥0；Y≥0；W和Y中的至少一个>0；Z≥0；C在0≤c<2的范围内；其中选择V、W、X、Y、Z和C以保持电化学中性。理想地，金属M2包括一种或多种过渡金属，优选地选自锰、钛和锆；M3优选地选自镁、钙、铜、锡、锌和钴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钠离子二次电池，其包括阴极和阳极，其中所述阴极包括一种或多种正极活性材料，以及所述阳极包括布置在阳极基底上的负极活性材料层；其中负极活性材料包括一种或多种无序含碳的材料；其特征在于：/ni)每平方米所述阳极基底的所述负极活性材料层的质量≤80g；/nii)所述正极活性材料的质量与所述负极活性材料层的质量之比为0.1至10；以及/niii)所述阳极基底上的所述负极活性材料层的厚度≤100μm。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181213 GB 1820358.81.一种钠离子二次电池，其包括阴极和阳极，其中所述阴极包括一种或多种正极活性材料，以及所述阳极包括布置在阳极基底上的负极活性材料层；其中负极活性材料包括一种或多种无序含碳的材料；其特征在于：
i)每平方米所述阳极基底的所述负极活性材料层的质量≤80g；
ii)所述正极活性材料的质量与所述负极活性材料层的质量之比为0.1至10；以及
iii)所述阳极基底上的所述负极活性材料层的厚度≤100μm。


2.根据权利要求1所述的钠离子二次电池，其中，每平方米所述阳极基底的所述负极活性材料层的质量大于25gm-2至小于80gm-2。


3.根据权利要求1所述的钠离子二次电池，其中每平方米所述阳极基底的所述负极活性材料层的质量为40gm-2至75gm-2。


4.根据权利要求1所述的钠离子二次电池，其中所述正极活性材料的质量与所述负极活性材料层的质量之比为0.5至10。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的钠离子二次电池，其中所述阳极基底上的所述负极活性材料层的厚度≤80μm。


6.根据前述权利要求任一项所述的钠离子二次电池，其中一种或多种正极活性材料是以下通式的化合物：
A1±δM1VM2WM3XM4YM5ZO2-c
其中
A是选自钠，钾和锂的一种或多种碱金属；
M1包括一种或多种氧化态+2的氧化还原活性金属，
M2包括氧化态大于0至大于或等于+4的金属；
M3包括氧化态+2的金属；
M4包括氧化态大于0至小于或等于+4的金属；
M5包括氧化态+3的金属；
其中
0≤δ≤1；
V>0；
W≥0；
X≥0；
Y≥0；
W和Y中的至少一个>0
Z...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·塞耶斯，J·巴克，A·鲁多拉，
申请(专利权)人：法拉典有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB