一种钠基电池用电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电池材料制备技术领域，具体涉及一种钠基电池用电极材料及其制备方法和应用。该钠基电池用电极材料的原料包括金属基物质和碳源，碳源为具有三维骨架结构的碳纤维，所述碳纤维的直径为1

【技术实现步骤摘要】
一种钠基电池用电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池材料制备
，具体涉及一种钠基电池用电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]与锂离子电池相比，钠离子电池在高充电速率下出现枝晶和爆炸的可能性比锂电池低，钠盐原料储量丰富，价格低廉，具有更大应用前景。
[0003]目前钠离子电池所面临的主要问题是要找到合适的电极材料，常见的钠离子正极材料有与锂离子正极材料结构相似的过渡金属氧化物类和聚阴离子类化合物，也有特殊的普鲁士蓝类化合物等。钠离子负极材料与锂离子负极材料不同，因钠离子半径较大，大部分锂电负极材料层间距较小，钠离子不能嵌入，因此锂电负极材料不具备储钠性能，不能作为钠离子电池负极，例如锂电中常用的石墨负极，其没有储钠性能。常见的钠离子电池负极材料有碳基材料、合金类材料、钛基材料和有机化合物材料等。其中，碳基材料具有来源广泛、制备简单、环境友好和价格低廉等优点，是一种十分有应用前景的储钠负极材料；然而，碳基材料比容量较低、首周不可逆容量大、倍率性能差，制约了其发展。
[0004]合金类负极材料拥有高的理论比容量和良好的倍率性能，是一类非常有潜力的储钠负极材料。合金负极材料具有多电子的合金化反应，其理论比容量一般比较高，高的合金化容量也造成循环过程中体积膨胀严重，导致活性物质粉化脱离电接触，进而引起容量快速衰减。如何克服负极材料体积膨胀严重，提高电池循环性能，以及提高钠离子电池的储钠性能成为当前钠离子电池研究热点内容之一。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中钠离子电池中合金负极材料在嵌钠前后体积变化大，导致活性物质粉化脱离电接触，引起容量快速衰减；以及如何提高钠离子电池负极储钠性能等缺陷，从而提供了一种钠基电池用电极材料及其制备方法和应用。
[0006]为此，本专利技术提供了以下技术方案。
[0007]本专利技术提供了一种钠基电池用电极材料，其原料包括纳米级金属基物质和碳源；
[0008]所述碳源为具有三维骨架结构的碳纤维；
[0009]所述碳纤维的直径为1
‑
30μm。
[0010]所述纳米级金属基物质的粒径为10
‑
500nm；
[0011]优选地，所述纳米级金属基物质选自金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐和金属硝酸盐中的至少一种。
[0012]所述纳米级金属基物质中的金属选自锡、锑、铋、铅、锗和铟中的至少一种；
[0013]优选地，所述纳米级金属基物质中的金属选自锡和锑中的至少一种。
[0014]所述纳米级金属基物质和碳源满足式Ⅰ：
[0015]m＝a
×
S
×
H
×
ρ
y
式Ⅰ[0016]其中，m为金属基物质的质量，单位为g；
[0017]a为0.1
‑
10；
[0018]S为金属基物质在碳源表面的涂布面积，单位为cm2；
[0019]H为碳源的厚度，单位为cm；
[0020]ρ
y
为碳源的密度，单位为g/cm3。
[0021]此外，本专利技术还提供了一种上述钠基电池用电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0022]将纳米级金属基物质制成浆料；
[0023]将浆料涂覆在碳源表面，经真空干燥、焙烧。
[0024]进一步地，采用高压微射流法将纳米级金属基物质制成浆料；
[0025]优选地，所述高压微射流法分散的压力为10000
‑
20000psi，时间为30
‑
60min。优选地，所述高压微射流分散的装置包括高压微射流均质机。
[0026]所述浆料的固含量为5
‑
60％。
[0027]所述真空干燥的温度为50
‑
150℃。
[0028]所述焙烧的温度为400
‑
1000℃，时间为3
‑
10h。
[0029]进一步地，本专利技术还提供了一种钠离子电池，包括上述的钠基电池用电极材料或上述制备方法制得的钠基电池用电极材料。
[0030]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0031]1.本专利技术提供的钠基电池用电极材料，其原料包括金属基物质和碳源，碳源为具有三维骨架结构的碳纤维，所述碳纤维的直径为1
‑
30μm。该电极材料用于钠离子电池时，克服了现有技术中钠离子电池中合金负极材料体积膨胀的问题，减少极片体积变化，提高电池整体稳定性和储钠性能。本专利技术提供的合金化电极材料一般作为钠离子电池负极使用。
[0032]本专利技术碳源为具有三维骨架结构的碳纤维，可以使金属交织在三维网络中，利用三维空间和碳源的高弹性，克服了现有技术中钠离子电池在充放电过程中合金化负极材料膨胀的问题，减少了极片体积的变化，提高电池整体稳定性。此外，本专利技术钠基电池用电极材料具有极高的储钠性能，三维骨架结构的碳纤维网络能够提供电子和离子扩散通道，使电极材料容量高、循环性能好。
[0033]该钠基电池用电极材料的原料不含粘结剂，为自支撑体，不需要与集流体复合使用，同时该电极材料没有掺入其他惰性物质，使其在成本、容量、能量密度方面具有极大优势，是理想的钠电金属负极材料。设计使用纳米级金属与三维骨架结构的碳纤维复合，金属颗粒纳米化能够减小颗粒表面的应力，同时能够减小钠离子的扩散距离，提高循环性能。
[0034]通过控制a为0.1
‑
10，可以保证适量的金属基物质的负载量，防止在充放电过程中出现金属颗粒脱落、膨胀、粉化等问题，从而降低电池的性能。
[0035]2.本专利技术提供的钠基电池用电极材料，本专利技术碳纸与金属复合，既保留金属极高的储钠性能，又通过三维骨架结构碳纤维缓冲金属与钠合金化时的体积膨胀，网络结构的碳纸提供电子和离子扩散通道，提高电极材料的容量和循环性能。
[0036]3.本专利技术提供的钠基电池用电极材料的制备方法，本专利技术先将金属基物质制成浆料，将其涂覆在碳源表面，使金属颗粒与碳源紧密结合，形成复合电极材料，该过程无需使用粘结剂，为自支撑体，将其用于钠离子电池时无需使用复合集流体。
[0037]本专利技术通过调整电极材料制备方法中的焙烧温度、时间等可以进一步优化电极材料的导电性。
[0038]该电极材料的制备方法简单，适用于放大实验，成本低，原料利用率高，产率高，不会产生对环境有害的废物。
具体实施方式
[0039]提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本专利技术相同或相近似的产品，均落在本专利技术的保护范围之内。
[0040]实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钠基电池用电极材料，其特征在于，其原料包括纳米级金属基物质和碳源；所述碳源为具有三维骨架结构的碳纤维；所述碳纤维的直径为1
‑
30μm。2.根据权利要求1所述的钠基电池用电极材料，其特征在于，所述纳米级金属基物质的粒径为10
‑
500nm；优选地，所述纳米级金属基物质选自金属氧化物、金属氢氧化物、金属碳酸盐和金属硝酸盐中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的钠基电池用电极材料，其特征在于，所述纳米级金属基物质中的金属选自锡、锑、铋、铅、锗和铟中的至少一种；优选地，所述纳米级金属基物质中的金属选自锡和锑中的至少一种。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的钠基电池用电极材料，其特征在于，所述纳米级金属基物质和碳源满足式Ⅰ：m＝a
×
S
×
H
×
ρ
y
式Ⅰ其中，m为金属基物质的质量，单位为g；a为0.1
‑
10；S为金属基物质在碳源表面的涂布面积，单位为cm2；H为碳源的厚度，单位为cm；ρ
y
为碳源的密度，单位为g/cm3。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：郑晓醒，江卫军，陈思贤，任海朋，高飞，张放南，杨红新，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：