一种钠离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种钠离子电池及其制备方法，所述钠离子电池包括正极极片和负极极片，所述正极极片的正极材料为具有嵌钠结构的宿主材料，所述负极极片的负极材料包括预钠碳材料和/或金属钠，本发明专利技术解决了正极端材料设计、电极设计等诸多限制，大大拓宽了钠离子电池正极材料的选择范围，提升了能量密度瓶颈，同时避免了具有电化学稳定相的橄榄石型聚阴离子磷酸铁/锰钠盐难以制备的问题，提高了钠离子电池的首次库伦效率和能量密度。电池的首次库伦效率和能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种钠离子电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于钠离子电池
，涉及一种钠离子电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着电动汽车、储能及电子产品的规模日益增大，对电化学储能技术提出了更高要求。可充电电池在当今世界发挥了越来越重要的作用，虽然有各种形式的能源存储可用，但电化学储能是在所有规模上都有效的选择。现有应用广泛的锂离子电池存在锂资源匮乏，价格较高，安全性能不佳等问题，无法满足大规模储能的需要，发展替代技术成为了必要的选择。
[0003]钠离子电池与锂离子电池原理一致，兼顾了原料易得、低成本、高性能、高稳定性、高安全性等优势，与锂离子电池产业链制造模式与设备高度统一，较好承接了部分对成本和寿命敏感的电化学储能应用场景中，有望逐渐占据更大市场份额，具有较好的发展前景。
[0004]CN113097557A公开了一种钠离子电池及其制备方法，其所述制备方法包括提供待化成的钠离子电池和对所述待化成的钠离子电池进行梯度化成制得所述钠离子电池，所述梯度化成包括多个充放电步骤，在不同温度下对待化成的钠离子电池进行充放电。
[0005]CN107978743A公开了一种钠离子电池正极材料，所述钠离子电池正极材料的分子式为Na4Fe
0.5
Mn
0.5
V(PO4)3，为三方晶系，空间群为R
‑
3c，为不规则片状结构。
[0006]上述方案所述钠离子电池中的正极材料均为含钠正极材料，但在实际使用中，这些材料倾向于保留结构水，降低了单位质量的容量，同时由于低输出电压(大多低于3.5V)、不可逆相变和存储不稳定性，阻碍了它们的进一步应用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种钠离子电池及其制备方法，本专利技术解决了正极端材料设计、电极设计等诸多限制，大大拓宽了钠离子电池正极材料的选择范围，提升了能量密度瓶颈，同时避免了例如具有电化学稳定相的橄榄石型聚阴离子磷酸铁/锰钠盐难以制备的问题，提高了钠离子电池的首次库伦效率和能量密度。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种钠离子电池，所述钠离子电池包括正极极片和负极极片，所述正极极片的正极材料为具有嵌钠结构的宿主材料，所述负极极片的负极材料包括预钠碳材料和/或金属钠。
[0010]本专利技术所述钠离子电池在正极采用不含钠结构、负极采用钠或预钠材料，本专利技术所述正极材料为具有嵌钠空间结构的宿主材料，通过预先进行的结构设计，提升正极嵌钠比容量，甚至可以混合多种容钠结构材料以提高正极压实密度，进而提高钠离子电池的能量密度，本专利技术所述钠离子电池不受材料合成时的热力学稳定性影响，可以在制备过程中突出选择性和结果导向，同时潜在的合成前驱体选择范围扩大。
[0011]传统钠离子电池负极端多采用硬碳作为活性材料，而硬碳较低的初始库伦效率严
重影响Na
+
利用率导致可逆容量降低。以无钠正极匹配含钠负极可以解决硬碳库伦效率不高的问题，或使用Na金属负极可以精确计算用量，提高了NP比设计精度，能量密度高于传统钠离子电池。
[0012]例如，聚阴离子磷酸铁/锰钠具有三维框架结构，有着较高的比容量和稳定性，在磷酸铁锂中得到了较好的验证。然而磷酸铁钠的热力学稳定相为maricite型，而合成具有橄榄石结构的oliver相则需要复杂的离子交换形式完成，限制了该体系的发展。直接使用磷酸盐/硫酸盐/硅酸盐作为正极材料，可以避免合成含钠活性物质带来的复杂过程，且可与含钠负极搭配使用，合成方式简单直接，适用于批量生产，大大简化了该材料体系的使用方式。可以起到嵌钠/锂的效果，并与钠金属和预钠负极搭配使用，大大简化了正极材料的合成方式，使得热力学不稳定结构的聚阴离子磷酸铁钠/磷酸锰钠/磷酸锰铁钠材料有了更好的利用形式。
[0013]优选地，所述正极材料的化学式为A
x
B
y
C
z
D
i
E
j
O
k
，A、B、C、D、E独立地为Li、Be、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Nb、Mo、In、Sn或Ba中的任意一种或至少两种的组合，x、y、z、i、j或k为元素对应的摩尔比，元素化合价乘积之和满足电中性。
[0014]优选地，所述具有嵌钠结构的宿主材料包括层状氧化物、聚阴离子材料、普鲁士蓝衍生物或有机材料中的任意一种或至少两种的组合，优选为聚阴离子材料。
[0015]聚阴离子型材料由于聚阴离子基团的诱导效应而表现出较高的工作电势。它们强大的三维框架显著减少了钠离子去除/插入过程中的结构变化。此外，还有强X
‑
O(X＝S、P、Si等)的影响，共价键能有效地抑制氧的演化，这些优点有助于聚阴离子型材料具有优越的循环稳定性和高安全性。
[0016]优选地，所述负极材料为预钠碳材料。
[0017]优选地，所述负极材料经过聚合物电解质修饰。
[0018]优选地，所述钠离子电池还包括隔膜和电解液。
[0019]优选地，所述隔膜包括玻璃纤维、聚乙烯膜或聚丙烯膜中的任意一种或至少两种的组合，优选为玻璃纤维。
[0020]优选地，所述电解液包括电解质盐、溶剂和添加剂。
[0021]优选地，所述电解质盐包括NaPF6、NaClO4、NaTFSI、NaFSI或NaDFOB中的任意一种或至少两种的组合。
[0022]优选地，所述溶剂包括碳酸酯、羧酸酯、磷酸酯、醚、砜、腈或离子液体中的任意一种或至少两种的组合。
[0023]优选地，所述电解液包括局部高浓度/离子液体电解液。
[0024]优选地，所述添加剂包括VC、FEC、PS、NaDFOB或NaPO2F2中的任意一种或至少两种的组合。
[0025]优选地，所述正极极片还包括导电剂和粘结剂。
[0026]优选地，所述导电剂包括Super
‑
P、KB、碳纳米管或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。
[0027]优选地，所述粘结剂包括偏聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶或丙烯腈多元共聚物中的任意一种或至少两种的组合。
[0028]优选地，所述正极材料、导电剂和粘结剂的质量比为(90～97):(0.5～3):(1～
3):，例如：90:3:2、92:2:2、95:2:1.5、96:1:1.2或97:0.6:2等。
[0029]优选地，所述负极极片还包括导电剂、粘结剂、增稠剂和聚合物电解质。
[0030]优选地，所述导电剂包括Super
‑
P、KB、碳纳米管或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合。
[0031]优选地，所述粘结剂包括LA132粘结剂、偏聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶或丙烯腈多元共聚物中的任意一种或至少两种的组合。
[0032]优选地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池，其特征在于，所述钠离子电池包括正极极片和负极极片，所述正极极片的正极材料为具有嵌钠结构的宿主材料，所述负极极片的负极材料包括预钠碳材料和/或金属钠。2.如权利要求1所述的钠离子电池，其特征在于，所述正极材料的化学式为A
x
B
y
C
z
D
i
E
j
O
k
，A、B、C、D、E独立地为Li、Be、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Nb、Mo、In、Sn或Ba中的任意一种或至少两种的组合，x、y、z、i、j或k为元素对应的摩尔比，元素化合价乘积之和满足电中性；优选地，所述具有嵌钠结构的宿主材料包括层状氧化物、聚阴离子材料、普鲁士蓝衍生物或有机材料中的任意一种或至少两种的组合，优选为聚阴离子材料。3.如权利要求1或2所述的钠离子电池，其特征在于，所述负极材料为预钠碳材料；优选地，所述负极材料经过聚合物电解质修饰。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的钠离子电池，其特征在于，所述钠离子电池还包括隔膜和电解液；优选地，所述隔膜包括玻璃纤维、聚乙烯膜或聚丙烯膜中的任意一种或至少两种的组合，优选为玻璃纤维；优选地，所述电解液包括电解质盐、溶剂和添加剂；优选地，所述电解质盐包括NaPF6、NaClO4、NaTFSI、NaFSI或NaDFOB中的任意一种；优选地，所述溶剂包括碳酸酯、羧酸酯、磷酸酯、醚、砜、腈或离子液体中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述电解液包括局部高浓度/离子液体电解液；优选地，所述添加剂包括VC、FEC、PS、NaDFOB或NaPO2F2中的任意一种或至少两种的组合。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的钠离子电池，其特征在于，所述正极极片还包括导电剂和粘结剂；优选地，所述导电剂包括Super
‑
P、KB、碳纳米管或石墨烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述粘结剂包括偏聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶或丙烯腈多元共聚物中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述正极材料、导电剂和粘结剂的质量比为(90～97)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，吴晓东，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：