【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及复合材料以及复合材料的制造方法。此外，本专利技术还涉及包含所述复合材料的阳极、和包含所述阳极的电池、以及制造阳极的方法。
技术介绍
1、随着便携式电子设备和电动交通工具的发展，对具有高能量密度的可再充电电池的需求不断增加。然而，采用基于层状氧化物的阴极和石墨阳极材料的现有技术锂离子电池(lib)的比能量密度已经几乎达到了其理论极限。因此，人们正在深入探索可以替代石墨阳极材料的具有高比容量的替代性阳极材料。
2、在这方面，钠离子电池(sib)被认为是lib的一种有前途的替代品，因为钠(na)在地球上的丰度更高，价格明显更低，而且含钠原材料的更深入可得性(例如来自矿物质和海水中的天然储藏)。特别是，预计sib将在可再生能源的固定电网存储中发挥重要作用。近年来，sib阴极材料取得了长足的进步，但具有高的容量和稳定性的sib阳极材料仍然是实现具有竞争力的sib的主要障碍。鉴于其高理论容量(1166mah g-1)和低电化学势(-2.71v，相对于标准氢电极)，金属钠被认为是最有前途的阳极材料，可以不仅在sib中，而且可以在基于钠-氧、钠-硫和钠-卤化物化学物质的电池中实现高性能。例如，us10873083b2公开了一种用于碱金属电池的阳极颗粒，所述碱金属电池例如为锂离子电池或钠离子电池，且其中所述阳极颗粒具有约10-6s/cm至约300s/cm的电导率。cn111640911a公开了一种电极活性材料，其可用作电池如锂离子电池、钠离子电池或钾离子电池的正电极材料或负电极材料。jp2014175243a公开了一种使
3、然而，要在商业电池中深入部署na金属阳极，仍必须克服重大挑战。除了枝晶生长之外，金属钠比锂更具反应性，这会导致有机溶剂的自发还原。连续的钠剥离和镀析会消耗电解质并引发不受控制的枝晶生长和死钠的形成，导致库仑效率低、循环稳定性差和有害的析气问题。
4、在过去的十年中，已经开发了许多策略来缓解上述问题。所开发的策略包括电解质配方优化、引入人造固体电解质中间相(sei)、使用三维(3d)多孔集流体作为na主体、以及固体电解质的设计。然而，在商业电池中深入部署钠金属阳极仍然存在一些进展问题。为了在商业电池中成功部署钠金属阳极，钠金属阳极必须满足许多特性。在这方面，非常需要创建一个足够稳固以维持高速率运行的sei层。此外，非常需要创建一种能够实现足够的重量和体积能量密度的阳极结构。另一个问题在于na金属阳极的制造工艺不容易与当前的电池制造工艺兼容，这反过来又导致成本增加。
5、因此，需要改进的材料来制造更稳固和可持续的可再充电电池，这些电池能够为固定和移动的能量存储提供高能量密度。
技术实现思路
1、鉴于上述情况，本专利技术的一个目的是提供一种改进的复合材料、改进的阳极、改进的电池和改进的生产方法，其共同应对上述缺点。
2、另一个目的是提供一种设计用于阳极和电池的复合材料，其减轻并因此减少枝晶生长。
3、另一个目的是提供一种设计用于阳极和电池的复合材料，其更稳定并且因此更不易发生不期望的反应。
4、另一个目的是提供一种设计用于阳极和电池的复合材料，其提供增加的重量和体积能量密度。
5、另一个目的是提供一种设计用于阳极和电池的复合材料，其易于制造。
6、另一个目的是提供一种设计用于阳极和电池的复合材料，其制造成本较低。
7、为了实现上述目的以及将从以下描述中清楚的其它目的中的至少一个，根据本专利技术构思提供了一种具有权利要求1中限定的特征的复合糊料。分别根据权利要求10和11提供了包含所述复合糊料的阳极和电池。分别根据权利要求12和15提供制造方法。根据从属权利要求，本专利技术构思的优选变化是清楚的。
8、根据第一方面，提供了一种包含na合金和含氟聚合物的复合材料，其中所述na合金包含：作为第一成分的na；和作为第二成分的k、li、se、sb、sn和bi中的一种，其中所述复合材料包含源自na合金的na，其与源自含氟聚合物的f交联，使得在复合材料内形成固体电解质中间相，并且其中在na合金中第一成分以至少60mol％存在并且第二成分以至多40mol％存在。
9、术语“含氟聚合物”应解释为具有多个碳-氟键的碳氟基聚合物。因此，含氟聚合物是含氟的聚合物，其主要包括基于氟代烷基物质的许多重复单体单元或单体的聚合物。含氟聚合物可以是一种单体单元的均聚物或两种或更多种单体的共聚物。例如，聚四氟乙烯(ptfe)是典型的含氟聚合物。式i的结构显示了ptfe的结构，其中单体单元在括号内并且n表示重复单元的数目并且n可以接近无穷大，优选n为至少100。含氟聚合物的平均分子量可以为1.4×104至1.2×106g/mol。
10、
11、本专利技术构思基于以下事实：na易于使含氟聚合物例如聚四氟乙烯(ptfe)脱氟，导致形成交联的多烯和naf的混合物，其可以用作具有高na+电导率和机械稳固度的有效人造sei层。因此，根据本专利技术构思的na合金可以与含氟聚合物形成复合材料，其中在复合材料内形成人造sei。
12、本专利技术构思的复合材料实现了几个显著的优点。所述复合材料可以在碱金属、合金表面、导电基底或阳极上形成人造sei层。人造sei层可以抑制或防止电化学电芯操作期间电极上的枝晶生长。人造sei层可以提供稳定的电极/电解质界面，从而抵消或防止不期望的反应。因此，复合材料可以提供具有显著改善的循环特性的阳极和电池。
13、此外，与固体na相比,na合金具有更低的熔点且是准液体，并且可以在例如导电基底或电极的集流体的表面上形成保形涂层。由此所述层可以抑制电化学电芯操作期间电极上的枝晶形成。枝晶通常是树状结构，包括通常称为晶须的细针状突起。枝晶可能在电化学电芯内部生长，其中它导致许多不良或有问题的影响，包括电解质和阳极之间的反应、电解质的消耗、潜在的短路和电池过早失效。
14、然而，已经发现含氟聚合物，尤其是ptfe粉末，在室温下相当缓慢地与na箔反应。因此，根据本专利技术构思，引入na与选自k、li、se、sb、sn和bi的第二成分的合金，以促进或催化na与含氟聚合物的f之间的交联反应。合金中第二成分的量可以为至多40mol％。合金中第二成分的量可以为至多30mol％。合金中第二成分的量可以为至多20mol％。合金中第二成分的量可以为至多10mol％。合金中第二成分的量可以为至多5mol％。相应地，合金中第一成分的量可以为至少60mol％。合金中第一成分的量可以是至少70mol％。合金中第一成分的量可以是至少80mol％。合金中第一成分的量可以是至少90mol％。合金中第一成分的量可以是至少95mol％。
15、因此，本专利技术构思的又一优点是形成复合材料的反应在室温下进行。这里，当形成包含na和第二构成元素的合金时，k通常发挥比例如li更重要的作用，因为k在与f的交联反应中更活跃。
16、na合金还本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种复合材料(1)，其包含Na合金(2)和含氟聚合物(3)，其中所述Na合金(2)包含：
2.根据权利要求1所述的复合材料(1)，其中所述Na合金(2)还包含选自K、Li、Cu、Al、Se、Si、Sb、Sn和Bi的第三成分，其中所述第三成分与第二成分不同。
3.根据权利要求2所述的复合材料(1)，其中所述Na合金(2)还包含选自K、Li、Cu、Al、Se、Si、Sb、Sn和Bi的第四成分，其中所述第四成分与第二成分和第三成分不同。
4.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料(1)，其中所述Na合金(2)与所述含氟聚合物(3)之间的重量比在6:1至1:4的范围内，优选1:1。
5.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料(1)，其中，在从属于权利要求1时，所述Na合金(2)选自NaK、NaLi、NaSe、NaSb、NaSn和NaBi；在从属于权利要求2时，Na合金(2)选自NaKLi、NaLiCu、NaLiAl、NaKSe、NaLiSi、NaKSb、NaKSn、NaLiSn和NaKBi；并且在从属于权利要求3时，所述Na合金(2)选
6.根据权利要求1-4任一项所述的复合材料(1)，其中所述Na合金(2)为NaK。
7.根据权利要求6所述的复合材料(1)，其中Na和K之间的摩尔比范围为30:1至200:1，优选32:1、35:1、57:1,100:1、135:1或171:1。
8.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料(1)，其中所述含氟聚合物(3)选自聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、三氟氯乙烯(CTFE)、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE或PTFCE)、四氟乙烯(TFE)、全氟辛酸酯(PFOA)、六氟丙烯(HFP)、六氟丙烯(HFP)的共聚物、氟化的乙烯丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯-含氟聚合物(EFEP)、六氟丙烯-四氟乙烯-乙烯共聚物(THE)和氟化的乙烯基醚(FVE)和聚(3,3,3-三氟丙基甲基硅氧烷)(PTFPMS)。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的复合材料(1)，其中所述含氟聚合物(3)是聚四氟乙烯。
10.一种阳极(6)，包括：
11.一种电池(9)，包括根据权利要求10所述的阳极(6)。
12.一种制造复合材料(1)的方法(20)，包括以下步骤：
13.根据权利要求12所述的用于制备复合材料(1)的方法(20)，其中所述含氟聚合物(3)以小于10微米、优选小于2微米尺寸的颗粒的形式提供。
14.根据权利要求12或13所述的用于制备复合材料(1)的方法(20)，其中将所述Na合金(2)和所述含氟聚合物(3)混合的步骤(24)在20-100℃、优选20-25℃范围内的温度下进行。
15.一种用于生产阳极(6)的方法(30)，包括：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种复合材料(1)，其包含na合金(2)和含氟聚合物(3)，其中所述na合金(2)包含：
2.根据权利要求1所述的复合材料(1)，其中所述na合金(2)还包含选自k、li、cu、al、se、si、sb、sn和bi的第三成分，其中所述第三成分与第二成分不同。
3.根据权利要求2所述的复合材料(1)，其中所述na合金(2)还包含选自k、li、cu、al、se、si、sb、sn和bi的第四成分，其中所述第四成分与第二成分和第三成分不同。
4.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料(1)，其中所述na合金(2)与所述含氟聚合物(3)之间的重量比在6:1至1:4的范围内，优选1:1。
5.根据前述权利要求中任一项所述的复合材料(1)，其中，在从属于权利要求1时，所述na合金(2)选自nak、nali、nase、nasb、nasn和nabi；在从属于权利要求2时，na合金(2)选自nakli、nalicu、nalial、nakse、nalisi、naksb、naksn、nalisn和nakbi；并且在从属于权利要求3时，所述na合金(2)选自naklisn、naklisi、naklicu和nakbisn。
6.根据权利要求1-4任一项所述的复合材料(1)，其中所述na合金(2)为nak。
7.根据权利要求6所述的复合材料(1)，其中na和k之间的摩尔比范围为30:1至200:1，优选32:1、35:1、57:1,10...
【专利技术属性】
技术研发人员：Z·台，L·刘，
申请(专利权)人：INL国际伊比利亚纳米技术实验室，
类型：发明
国别省市：
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