一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用技术

本申请涉及储能电池技术领域，尤其涉及一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用；所述功能性钠或钾金属电极为无机稀土化合物复合的钠或钾金属所形成的电极；其中，所述功能性钠或钾金属与所述无机稀土化合物的质量比为10～80：90～20；所述无机稀土化合物为稀土金属氟化物；通过限定无机稀土化合物为稀土金属氟化物，并且限定功能性钠或钾金属电极的组成原料，利用功能性钠或钾金属同稀土金属氟化物反应生成氟化钠或氟化钾和稀土合金，可以协同解决钠或钾金属电极的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面。体积膨胀和不稳定界面。体积膨胀和不稳定界面。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用


[0001]本申请涉及储能电池
，尤其涉及一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于具有能量密度高、输出功率大、无记忆效应和环境友好等优点，在移动电子设备、电动汽车、智能电网、航空航天等领域获得了广泛的应用。但是，受限于石墨负极低的理论比容量限制，已无法满足当前各类器件对能量密度的需求。因此，开发更高理论比容量的负极材料迫在眉睫。
[0003]钠或钾金属电极超高的理论比容量和低的氧化还原电势，被认为是构建下一代高比能电池的理想负极材料。然而，到目前为止，以钠或钾金属为负极的二次电池至今没有实现商业化应用，这是由于钠或钾金属负极主要面临的三个问题：(1)金属离子沉积
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脱出过程电流密度分布不均，导致沉积不均匀，形成枝晶，造成安全隐患及“死钠或钾”引起不可逆容量的损失；(2)不同于石墨负极的嵌入与脱出工作机制，钠或钾金属的无宿主特性使得其在循环过程有着巨大的体积变化，会导致电极的结构的破坏和电极粉化；(3)不稳定的固态电解质界面会加剧高活性的钠或钾金属与电解液之间的寄生反应，在循环过程中不断消耗，降低电池库伦效率与循环寿命。
[0004]为了解决上述问题，科研工作者提出了多种改善策略，但无法协同调控枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面的问题。因此，发展一种能够协同解决钠或钾金属电极的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面的技术至关重要。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用，以解决现有技术中钠或钾金属电极的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面难以协同解决的问题。
[0006]第一方面，本申请提供了一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极，所述功能性钠或钾金属电极为无机稀土化合物复合的钠或钾金属所形成的电极；
[0007]其中，所述功能性钠或钾金属与所述无机稀土化合物的质量比为10～80：90～20；
[0008]所述无机稀土化合物为稀土金属氟化物。
[0009]可选的，所述无机稀土化合物还包括稀土金属氧化物和/或稀土金属硫化物。
[0010]可选的，所述稀土金属包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的至少一种。
[0011]可选的，所述钠或钾金属电极的厚度为5μm～500μm。
[0012]第二方面，本申请提供了一种制备第一方面所述的功能性钠或钾金属电极的方法，所述方法包括：
[0013]混合所述功能性钠或钾金属和所述无机稀土化合物，后在干燥的惰性气氛中进行加热，并搅拌至所述无机稀土化合物和熔融的所述钠或钾金属反应完全，得到混合液；
[0014]向铜集流体表面倒入所述混合液，刮涂，冷却，后得到无机稀土化合物复合的钠或钾金属电极。
[0015]可选的，所述加热温度为100℃～250℃。
[0016]可选的，所述搅拌时间为5min～30min。
[0017]可选的，所述干燥的惰性气氛为氩气气氛。
[0018]可选的，所述干燥的惰性气氛的水含量＜0.1ppm，所述干燥的惰性气氛的氧含量＜0.1ppm。
[0019]第三方面，本申请提供了一种第一方面所述的功能性钠或钾金属电极在制备电池负极材料中的应用。
[0020]本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0021]本申请实施例提供的一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极，通过限定无机稀土化合物为稀土金属氟化物，并且限定功能性钠或钾金属电极的组成原料，利用功能性钠或钾金属与稀土金属氟化物反应生成的氟化钠或氟化钾和稀土合金来稳定金属钠或钾电极，其中，氟化钠或氟化钾和稀土合金可作为电极骨架，释放充放电过程中产生的应力，缓解体积膨胀；同时，氟化钠或氟化钾还可以强化固态电解质界面，物理阻隔金属钠/钾与电解液的直接接触，抑制界面寄生反应；此外，稳定的电极界面(均化离子流)和稀土合金(作为形核位点)，可诱导金属均匀沉积，抑制枝晶生长；因此，该功能性钠或钾金属电极可以协同解决钠或钾金属电极面临的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面问题。
附图说明
[0022]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
[0023]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本申请实施例提供的无机稀土化合物复合的功能性钠或钾金属电极结构示意图；
[0025]图2为本申请实施例提供的制备方法的流程示意图；
[0026]图3为本申请实施例提供的质量比为40：60的金属钠和YF3制备得到电极材料与未经处理的空白金属钠作为电极组装的对称电池的循环曲线对比图；
[0027]图4为本申请实施例提供的质量比为40：60的金属钾和CeO2所形成的电极材料与未经处理的空白金属钠作为电极组装的对称电池的循环曲线对比图；
[0028]图5为本申请实施例提供的质量比为25：75的金属钾和Nd2S3所形成的电极材料与未经处理的空白金属钾作为电极组装的对称电池的循环曲线对比图；
[0029]图6为本申请实施例提供的质量比为95：5的金属钠和YF3制备得到电极材料与未经处理的空白金属钠作为电极组装的对称电池的循环曲线对比图。
具体实施方式
[0030]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0031]除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0032]本申请的创造性思维为：
[0033]目前针对钠或钾金属负极面临的三个难题有多种改善策略，包括：
[0034](1)引入电解液添加剂，利用添加剂在钠或钾金属电极表面分解形成稳定固态电解质界面来改善其电化学性能，但是添加剂消耗完后就会失去作用；
[0035](2)构筑界面保护层，即在锂电极表面通过原位或者非原位方法构筑高剪切模量屏障层抑制枝晶的生长和界面寄生反应；例如通过CeF3溶液处理金属锂表面，在其表面形成锂铈合金和氟化锂的界面保护层，实现锂枝晶生长和界面寄生反应的抑制，但是这种策略只能在表面部分起到作用，不能够容纳锂负极循环中体积变化；
[0036](3)设计三维集流体，通过降低局部电流密度来抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述功能性钠或钾金属电极为无机稀土化合物复合的钠或钾金属所形成的电极；其中，所述功能性钠或钾金属与所述无机稀土化合物的质量比为10～80：90～20；所述无机稀土化合物为稀土金属氟化物。2.根据权利要求1所述的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述无机稀土化合物还包括稀土金属氧化物和/或稀土金属硫化物。3.根据权利要求2所述的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述稀土金属包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的至少一种。4.根据权利要求1所述的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述钠或钾金属电极的厚度为5μm～500μm。5.一种制备如权利要求1
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4任一项所述的功能性钠或钾金属电极的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：高余良，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：