CN104798225A - 用于钠离子电池的阳极组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钠离子电池。该电池具有包含钠的阴极、包含钠的电解质、以及电化学活性阳极材料。该电化学活性阳极材料包括电化学活性相和电化学非活性相。该电化学活性相和所述电化学非活性相共享至少一个共同的相界。该电化学活性相不包括氧、硫或卤素。该电化学活性相基本上不含大于40nm的晶粒。

Description

用于钠离子电池的阳极组合物及其制备方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年11月21日提交的美国临时申请61/729,093的权益，其公开内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开涉及可用作钠离子电池的阳极的组合物及其制备和使用方法。
背景技术
已经提出了用于钠离子二次电池中的各种阳极组合物。此类组合物在如下出版物中有所描述，例如，Jiang Wei Wang et al.，“MicrostructuralEvolution of Tin Nanoparticles during In Situ Sodium Insertion and Extraction”，Nano Letters(《纳米快报》，Jiang Wei Wang等人的《在原位钠插入和提取过程中锡纳米颗粒的微结构演变》)；Yunhua Xu et al.，“Electrochemical Performance of Porous Carbon/Tin Composite Anodes forSodium-Ion and Lithium-Ion Batteries”，Advanced Energy Materials(《先进能源材料》，Yunhua Xu等人的《用于钠离子电池和锂离子电池的多孔碳/锡复合阳极的电化学性能》)；Lifen Xiao et al.，“High capacity，reversiblealloying reactions in SnSb/C nanocomposites for Na-ion battery applications”，Chem.Comm.48(2012)3321(《化学通讯》48(2012)3321，Lifen Xiao等人的《Na-离子电池应用的SnSb/C纳米复合物的高容量可逆合金化反应》)；美国专利申请公布2012/0199785；Tuan T.Tran et al.，“AlloyNegative Electrodes for High Energy Density Metal-Ion Cells”，J.Electrochem.Soc.158(2011)A1411(《电化学学会》期刊158(2011)A1411，Tuan T.Tran等人的《用于高能量密度金属离子电池的合金负极电极》)；以及V.L.Chevrier et al.，“Challenges for Na-ion Negative Electrodes”，J.ElectrochemSoc.158(2011)A1011(《电化学学会》期刊158(2011)A1011，V.L.Chevrier等人的《对钠离子负极的质疑》)。
发明内容
在一些实施例中，提供了钠离子电池。所述电池具有包括钠的阴极、包括钠的电解质、以及电化学活性阳极材料。所述电化学活性阳极材料包括电化学活性相。所述电化学活性相包括电化学活性化学元素和电化学非活性化学元素。所述电化学活性化学元素不包括氧、硫或卤素。所述电化学活性相基本上不含大于40nm的晶粒。
在各种实施例中，提供了钠离子电池。所述电池具有包括钠的阴极、包括钠的电解质、以及电化学活性阳极材料。所述电化学活性阳极材料包括电化学活性相和电化学非活性相。所述电化学活性相和所述电化学非活性相共享至少一个共同的相界。所述电化学活性相不包括氧、硫或卤素。所述电化学活性相基本上不含大于40nm的晶粒。
在例示性实施例中，提供了制造钠电池的方法。所述方法包括提供包含钠的阴极以及提供阳极。提供所述阳极包括使所述电化学活性阳极材料的前体结合以及球磨所述前体。所述方法还包括将所述阴极和阳极结合到包含电解质的电池中。电解质包括钠。
本公开的上述发明内容并不旨在描述本发明的每一个实施例。在以下具体实施方式中还示出了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目标和优点根据描述和权利要求将显而易见。
附图说明
结合附图来考虑本发明以下各个实施例的详细描述可以更完全地理解本发明，其中：
图1示出在60℃和30℃下，针对比较例1的放电容量相对于循环数，以及针对包含示例2的材料作为活性材料的负极的放电容量相对于循环数；
图2示出示例2的粉末的X射线衍射图；
图3示出示例1至4的样本的X射线衍射图；
图4示出以示例1至4作为活性材料的负极构造的电池的电压曲线；
图5示出示例5的样本的X射线衍射图；
图6示出在钠半电池中示例5的样本的电压曲线；并且
图7示出示例5的作为循环数的函数的电池的容量。
具体实施方式
钠离子电池作为低成本、高能量密度的电池化学物让人感兴趣。硬碳已被提出作为合适的负极材料用于钠离子电池中。然而，硬碳具有仅约450Ah/L的体积容量。这小于锂离子电池中石墨的2/3的体积容量。
基于合金的高能量密度负极材料作为硬碳的另选形式已被引入。然而，已知的基于合金的电极材料的问题包括：在电池工作期间由于加钠和去钠，出现较大的体积膨胀以及较差的循环寿命。
一般来讲，本公开涉及高能量密度负极材料，所述高能量密度负极材料具有低体积膨胀和改善的循环寿命。所述负极材料能够由包含电化学活性相的合金粒子制成。所述合金粒子也可包含电化学非活性化学元素或相。所述合金粒子可不含晶粒超过40纳米的相。尽管不意图受理论约束，据信通过包括非活性化学元素或相，在完全加钠时的体积膨胀被限制，并且通过确保晶粒尺寸小于40纳米，使循环寿命被改善。
定义
在本文中：
术语“加钠”是指向电极材料添加钠的过程；
术语“去钠”是指从电极材料去除钠的过程；
术语“充电”是指向电池提供电化学能量的过程；
术语“放电”是指从电池去除电化学能量的过程；例如，当使用该电池执行期望的工作的时候；
术语“阴极”是指在放电过程期间发生电化学还原和加钠的电极(通常称为正极)；
术语“阳极”是指在放电过程期间发生电化学氧化和去钠的电极(通常称为负极)；
术语“合金”是指包括金属、准金属、半金属中的任一种或全部的物质；
短语“电化学活性阳极材料”或“活性阳极材料”是指钠离子电池的阳极的组分的活性材料；
短语“电化学活性材料”或“活性材料”是指包括单相或多相并且在通常于钠离子电池充电和放电期间遇到的情况下与钠可逆地反应的材料；
短语“电化学活性相”或“活性相”是指在通常于钠离子电池充电和放电期间遇到的情况下与钠可逆地反应的电化学活性材料的相；
短语“电化学非活性相”或“非活性相”是指在通常于钠离子电池充电和放电期间遇到的情况下不与钠可逆地反应的电化学活性材料的相；
短语“电化学活性化学元素”或“活性化学元素”是指在通常于钠离子电池充电和放电期间遇到的情况下与钠可逆地反应的电化学元素；
短语“电化学非活性化学元素”或“非活性化学元素”是指在通常于钠离子电池充电和放电期间遇到的情况下不与钠可逆地反应的电化学元素；
术语“无定形的”是指当由X射线衍射或透射电子显微镜观察时不含晶体材料的长程原子秩序特征的材料；
短语“纳米晶相”是指具有不大于约40纳米(nm)的晶粒的相；
术语“粉末”是指以颗粒形式存在的包含多个粒子的材料，其中所述粒子的平均尺寸低于200微米；
短语“薄膜”是指一种或多种材料形成的平均厚度小于100微米的层；并且
短语“基本上不含”意味着在此短语之前叙述的材料不包括在此短语之后叙述的许多材料，所述许多材料将实质地影响在此短语之前叙述的材料的属性。
如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代，除非该内容另外明确地指明。如本说明书和所附实施例中所用，一般在其意义上使用术语“或”包括“和/或”的含义，除非该内容另外明确地指明。
如本文所用，由端点表述的数值范围包括归入该范围内的所有数值(例如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4和5)。
除非另外指明，否则在所有情况下，本说明书和实施例中所使用的所有表达数量或成分、特性测量等的数值均应理解成由术语“约”所修饰。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附实施例列表中所示的数值参数可以根据本领域技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的所需特性而有所变化。最低程度上说，每个数值参数并非试图限制等同原则在受权利要求书保护的实施例的范围内的应用，应该至少根据所记录的有效数位的数量和通过利用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。
在一些实施例中，本公开涉及钠离子电池。所述钠离子电池可具有包括钠的阴极组合物和包括钠的电解质组合物。所述钠离子电池可还具有包括电化学活性阳极材料的阳极。一般来讲，所述电化学活性阳极材料可包括一种或多种电化学活性相，其中所述电化学活性相呈如下的形式或包括如下：活性化学元素(不包括氧、硫或卤素)、合金或它们的组合。在一些实施例中，所述电化学活性相可包括元素性锡、碳、镓、铟、硅、锗、铅、锑、铋、以及它们的组合。所述电化学活性相可包括元素性锡、碳或它们的组合。在一些实施例中，所述电化学活性相不包括氮。在一些实施例中，所述电化学活性相可包括非活性化学元素，包括铝、硼、过渡金属(例如，钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜)、碱土金属、稀土金属或它们的组合。所述电化学活性阳极材料可呈粉末或薄膜的形式。
在一些实施例中，所述电化学活性阳极材料可包括电化学非活性相，诸如所述电化学活性相和所述电化学非活性相共享至少一个共同的相界。在各种实施例中，所述电化学非活性相可呈电化学非活性化学元素的形式或者包括电化学非活性化学元素，包括铝、硼、过渡金属(例如，钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜)、碱土金属、稀土金属或它们的组合。在各种实施例中，所述电化学非活性相可呈合金的形式。在各种实施例中，所述电化学非活性相可包括过渡金属或它们的组合。所述电化学非活性相可包括第一行过渡金属元素，诸如(例如)钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、以及它们的组合。所述电化学非活性相可包括钴、铜、以及它们的组合。所述电化学非活性相可包括硼或铝、以及它们的组合。在一些实施例中，所述电化学非活性相可包括活性化学元素，包括锡、碳、镓、铟、硅、锗、铅、锑、铋、以及它们的组合。所述电化学非活性相可包括化合物，诸如硅化物、铝化物、硼化物、氮化物、或锡化物。所述电化学非活性相可包括氧化物，诸如氧化钛、氧化锌、氧化硅、氧化铝、或铝酸钠。
在一些实施例中，用于钠离子电池的电化学活性阳极材料可具有下式：
SnxM(100-x-y)Cz，
其中M为一种或多种金属元素，并且其中x为至少5、至少20、或至少60；x小于90、x小于50、或x小于10；x为10到30、30到60、或60到90；y为至少5、至少20、或为至少60；y小于90、y小于50、或y小于30；或y为10到30、30到60、或60到90；并且(1-x-y)为至少5、至少20、或至少50；z小于60、z小于30、或z小于10；或z为5到10、10到20、或20到30。在各种实施例中，M可包括选自如下的一种或多种金属元素：钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、镁、镧、铝、硼、以及它们的组合。
在例示性实施例中，阳极组合物的具体实例可包括具有下式的那些：Sn30Co30C40、Sn25Cu31C44、Sn30Fe30C40或Sn50Mn10C40。在其它例示性实施例中，阳极组合物的具体实例可包括具有下式的那些：MnSb、NiSb2、Sn4(SiO2)2、Sn4(TiN)3、SnAl2和Pb60La20Al30。
在例示性实施例中，所述电化学活性阳极材料的任何电化学活性相和任何电化学非活性相可为纳米晶的并且不含大于40nm、大于30nm、大于20nm、大于10nm、或甚至大于5nm的晶粒。另选地，所述电化学活性相和所述电化学非活性相中的一者可为无定形的，并且另一者可为纳米晶的并且不含大于40nm、大于30nm、大于20nm、大于10nm、或甚至大于5nm的晶粒。在另外的另选形式中，仅所述电化学活性相可为纳米晶的并且不含大于40nm、大于30nm、大于20nm、大于10nm、或甚至大于5nm的晶粒，或为无定形的。更进一步地，所述电化学活性相和所述电化学非活性相中的每一者可为无定形的。再进一步地，所述电化学活性阳极材料可为基本上无定形的(例如，所述电化学活性阳极材料可不包括将实质地影响所属材料的属性的任何非无定形相/组分)。在各种实施例中，所述电化学活性阳极材料可完全不含尺寸上大于40nm的晶粒。一般来讲，晶粒(如果存在)的尺寸能够使用谢乐公式(Scherrer equation)由X射线衍射峰的宽度来确定。较窄的X射线衍射峰对应于较大的晶粒尺寸。使用铜靶(例如，铜Kα1线、铜Kα2线、或它们的组合)的纳米晶材料的X射线衍射峰通常可具有最大峰高度的一半的峰宽，所述最大峰高度对应于：大于0.5度的2θ角、大于1度的2θ角、大于2度的2θ角、大于3度的2θ角、或大于4度的2θ角，其中2θ在10°到80°的范围内。
在一些实施例中，包含本公开所述的电化学活性阳极材料的阳极可还包含用涂布粘度调节物诸如羧甲基纤维素、聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、炭黑的一种或多种添加剂，诸如粘结剂、传导性稀释剂、填充剂、增粘剂、增稠剂以及本领域的技术人员已知的其它添加剂。在一些实施例中，包含本公开所述的电化学活性阳极材料的阳极可还包含其它活性阳极材料，诸如硬碳，如D.A.Stevens and J.R.Dahn在《电化学学会》杂志(J.Electrochem.Soc.)148(2001)A803中描述的。或金属氧化物阳极材料，诸如Na2Ti3O7，如Premkumar Senguttuvan、Gwenaelle Rousse、VincentSeznec、Jean-Marie Tarascon和M.Rosa Palacín在《化学材料》(Chem.Mater.)23(2011)4109中描述的。
在一些实施例中，包含本公开所述的电化学活性阳极材料的阳极在结合到钠离子电池中并且循环于多次充电/放电循环时可具有高比容量(mAh/g)保持(例如，改善的循环寿命)。例如，当所述电池相对于Na在0V和2V之间或者5mV和1.2V之间循环并且温度保持在约室温(25℃)或在30℃或在60℃或甚至更高，此类阳极可具有大于50mAh/g、大于100mAh/g、大于500mAh/g、或者甚至大于1000mAh/g的比容量。
在一些实施例中，包含本公开所述的电化学活性阳极材料的阳极在结合到钠离子电池中当发生加钠时可膨胀。期望的是限制所述阳极的体积膨胀。这是能够实现的，例如，通过包含一种或多种非活性化学元素。在例示性实施例中，所述阳极可具有小于200％、小于150％、小于120％、或甚至小于100％的体积膨胀。
本公开还涉及制备上文描述的电化学活性阳极材料的方法。在各种实施例中，所述电化学活性阳极组合物能够通过适于获取纳米晶或无定形相的任何方法合成，方法例如在美国专利8,257,864中描述的超速凝固法、机械处理法、溅射法、雾化法、研磨法、低能量辊磨法。所述电化学活性阳极材料在上述处理方法之后也可被加热，只要该加热不致使所述活性相形成超过40nm的晶粒。在一些实施例中，任何加热步骤不致使在活性阳极材料中形成超过40nm的任何晶粒。
本公开还涉及制备电极的方法。在一些实施例中，所述方法可包括将上述的电化学活性阳极材料与用于涂布粘度调节的任何添加剂(诸如，粘结剂、传导性稀释剂、填充剂、增粘剂、增稠剂)和本领域的技术人员已知的其它添加剂混合在合适的涂布溶剂(诸如，水或N-甲基吡咯烷酮)中，以形成涂布分散体或涂布混合物。所述分散体可被完全混合，然后以任何适当的涂布技术施加到箔集流器，所述适当的涂布技术诸如：刮刀涂布、凹口棒涂、浸涂、喷涂、电喷涂、凹版涂布。所述集流器可为导电金属的薄箔，导电金属诸如(例如)，铜、铝、不锈钢或镍箔。可将浆液涂布到集流器箔上，然后允许其在空气中或真空中干燥，并且任选地在烘箱中加热，通常在约80℃至约300℃，持续约一小时以除去溶剂。
本公开的电极作为钠离子的电池的负极是尤其有用的。为制备电池，所述负极可结合电解质和阴极。合适的阴极的实例包括含钠的阴极，诸如以化学式NaxMO2表示的钠过渡金属氧化物，其中M为过渡金属并且x为0.7到1.2。合适的阴极材料的具体实例包括NaCrO2、NaCoO2、NaNi0.5Mn0.5O2、NaMn0.5Fe0.5O2。电解质的形式可以为液体、固体或凝胶。电解质通常包含盐和溶剂。固体电解质溶剂的实例包括聚合物，诸如聚环氧乙烷、聚四氟乙烯、含氟的共聚物、以及它们的组合。液体电解质溶剂的实例包括碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯、以及它们的组合。电解质盐的实例包括含钠的盐，诸如NaPF6和NaClO4、Na[N(SO2CF3)2]2、NaCF3SO3以及NaBF4。微孔分隔体，诸如可购自北卡罗来纳州夏洛特市的卡尔格德有限责任公司(Celgard LLC，Charlotte，N.C.)的微孔材料，可结合到电池中并被用于阻止负极直接与正极接触。
所公开的电化学电池能够用于多种装置中，这些装置包括但不限于便携式计算机、平板电脑显示器、个人数字助理、移动电话、带电机的装置(例如，个人或家用电器和车辆)、器械、照明装置(例如，手电筒)和加热装置。本发明的一个或多个电化学电池可以组合以提供电池组。
将参照下面的详细实例进一步描述本发明的操作。提供这些示例以进一步说明各种具体实施例和技术。然而，应当理解，可以在不脱离本发明范围的前提下进行多种变型和更改。
实例
X射线衍射测量
在配备有Cu靶X射线管和衍射光束单色光源的x射线粉末衍射仪上测量X射线衍射图案。测量以每步长0.05度和10秒计数时间从10-70度的2θ角获得。
制备(Sn 0.5 Co 0.5 ) 1-x C x
通过电弧熔融元素Sn(Sigma-Aldrich，＜150μm，99.5％)和Co，之后分别在500℃下持续24h并经受流动的氩进行退火来制备CoSn2。然后将退火的材料研磨成粉末。CoSn2粉末、Co(Sigma-Aldrich，＜150μm，99.9+％)、和石墨(Fluka，purum)的30g化学计量混合物组成的最终组合物(Sn0.5Co0.5)1-xCx和2,2150.64cm直径的不锈钢球在氩气氛中被添加至具有16.5cm直径1.6″宽度的水平轧辊磨小瓶。所述小瓶然后以106rpm的旋转速度辊磨336小时。
电极涂层制备
(Sn0.5Co0.5)1-xCx、CoSn2或Sn(Sigma-Aldrich，＜150μm，99.5％)电极通过将活性粉末和聚丙烯酸(35％solution in water，Aldrich)按照90∶10重量比混合在浆液中而制成。添加去离子水使所述浆液具有适当的粘度。使所述浆液在具有两个碳化钨球的行星式磨机中以120rpm旋转速度混合一小时。然后使用具有0.002″间隙的刮粉刀将所述浆液涂布到铜箔上，然后在对流烘箱中在90℃下风干4小时。
硬币式电池构造(比较例1至3和实例1至4)
面积上1.3cm2并具有约1mAh/cm2的理论容量的电极从上文描述的电极冲孔。所述电极作为工作电极结合到2325类硬币式电池，所述2325类硬币式电池具有作为反电极的金属钠(Aldrich，ACS等级，碾压成箔)和EC/DEC(1∶2按体积计)电解质(诺莱特科技(Novolyte Technologies))中的1M NaPF6(Aldrich，98％)。两层卡尔格德2301和一层聚丙烯吹塑微纤维(3M公司(3M Co.))用作分隔体。
电化学测试(比较例1至3和实例1至4)
使用Maccor系列4000自动测试系统来执行电化学测试。使用电池测试仪(俄克拉荷马州塔尔萨市MACCOR公司(Maccor Inc.，Tulsa Okla.))使硬币式电池在30℃或60℃下在恒温受控室中以C/25的速率在5mV和1.2V之间循环。在实现完全加钠后，所述电池保持在5mV的恒定电势直到电流降低到C/50为止。
比较例1
制备使用具有约42nm的晶粒尺寸的纯结晶Sn(根据谢乐公式(Scherrer Equation))的电极并在电化学电池中循环。所述循环性能在图1中示出。在4次充电/放电循环后，容量衰减至0。
比较例2
CoSn2的铸块通过在电弧炉中熔融0.7378g的钴和3.0364g的锡而制备成。然后在氩气中在125℃下将所述铸块加热2小时，之后在510℃下加热60小时，然后冷却至室温并最终研磨成粉末并通过53μm筛网。图2示出所述粉末的x射线衍射图，示出所述粉末由单相CoSn2组成。根据谢乐等式，该粉末由具有73nm的晶粒尺寸的CoSn2组成。对具有由CoSn2粉末制成的涂层的电化学电池进行测试。这些电池不具有任何容量。在钠电池中，该实例的CoSn2是电化学非活性的。
比较例3
使用实例2的相同技术，不同的是用锂箔(从0.38mm厚的锂带(购自威斯康星州密尔沃基市的Aldrich公司(Aldrich，Milwaukee，Wis.))切下)替代钠箔以及用碳酸亚乙酯(EC)：二亚乙基碳酸酯(DEC)(1∶2 v/v)(诺莱特科技)中的1M LiPF6替代电解质来制备电化学电池。相比于钠电池，所述锂电池能够充电和放电并具有600mAh/g的第一放电容量。
实例1至4
表1
实例 组合物
实例1 (Sn0.5Co0.5)0.8C0.2
实例2 (Sn0.5Co0.5)0.6C0.4
实例3 (Sn0.5Co0.5)0.5C0.5
实例4 (Sn0.5Co0.5)0.4C0.6
图3示出以(Sn0.5Co0.5)1-xCx制备的样本的X射线衍射图，其中x＞0。这些样本汇总在1中。这些图案示出在30°和45°时的两个宽峰。这两个峰为无定形或纳米晶SnCo的特征。根据谢乐等式，SnCo相具有大略1.4nm的晶粒尺寸并且基本上是无定形的。在36°时的小峰指示少量未反应的CoSn2原料。该相呈现在其中x＞0.2的样本中。根据谢乐等式，CoSn2相具有大略10.4nm的晶粒尺寸。未检测到更大的晶粒。
图4示出用包含实例1至4作为活性材料的负极构造的电池的电压曲线。所述电池在60℃和30℃下进行循环。当Sn含量较高或在较高的循环温度下时，可获得较高的容量。
图1示出所述电池在60℃和30℃下的循环寿命的曲线图，该电池用包含实例2作为活性材料的负极制备。在16次循环后，电极容量几乎保持恒定。
实例5
Sn25Cu31C44构成的薄膜是通过从具有5.08cm直径的靶溅射而制备的。Cu靶是从0.635cm厚的Cu板(99.9％纯度)切下的。0.635cm的碳溅射靶(99.999％纯度)是从宾夕法尼亚州克莱尔顿市的Kurt J.Lesker公司(Kurt J.Lesker Co.Clairton，PA)获得的。锡溅射靶是从0.33cm厚的Sn板切下的，所述0.33cm厚的Sn板是从马萨诸塞州的瓦尔德山市的阿法埃莎(AlfaAesar Ward Hill，MA.)获得的。使用SilverTech PT-1银环氧树脂将所有靶安装在0.318cm厚的铜背衬板上，所述SilverTech PT-1银环氧树脂来自纽约州水牛城的威廉姆斯先进材料公司(Williams Advanced Materials，Buffalo，NY)。所述Sn、Cu和C靶使用MDX-IK DC功率源分别在16W、28W和148W的靶功率下通电，所述MDX-IK DC功率源购自科罗拉多州柯林斯堡的先进能量公司(Advanced Energy，Fort Collins，Colo.)。所述膜的组合物通过电子微探针测量工具验证，电子微探针测量工具制备有JEOLJXA-8200超级探针。
使用溅射材料来构造钠半电池，所述溅射材料沉积在1.267cm2的圆形Cu盘上并使用包含溶解于1∶2 EC∶DEC中的1M NaPF6的电解质而结合到2325尺寸的硬币式电池中。两个卡尔格德分隔体、一个吹塑的聚丙烯微纤维分隔体和一个钠箔反电极/参考电极被用在电池构造中。在填充Ar气的手套箱中进行组装。使用弹簧和不锈钢隔片来确保恒定的堆叠压力。在30℃下，使用电池测试仪(俄克拉荷马州塔尔萨市Maccor有限公司(MaccorInc.，Tulsa Okla.))假定采用恒定电流的C/10速率和基于所测量的组合物计算的15/4 Na/Sn原子的容量，使电池循环。使用INEL CPS120弯曲的位置敏感的检测器来对溅射在Si晶片上的膜执行X射线衍射测量，所述位置敏感的检测器与配备有Cu靶X射线管的X射线生成器联接。由于Cu Kα辐射，入射光束路径中的单色器限制打在样本上射线的波长。
图5示出Sn25Cu31C44样本的X射线衍射图案。所述样本为完全无定形的。
图6示出在钠半电池中的Sn25Cu31C44样本的电压曲线，并且图7示出作为循环数函数的该电池的容量。在循环数10至48之间未观察到容量衰减。

Claims (20)

1.一种钠离子电池，包括：
包含钠的阴极；
包含钠的电解质；和
电化学活性阳极材料，所述电化学活性阳极材料包括电化学活性相，所述电化学活性相包括：
电化学活性化学元素；和
电化学非活性化学元素；
其中所述电化学活性化学元素不包括氧、硫或卤素；并且
其中所述电化学活性相基本上不含大于40nm的晶粒。
2.根据权利要求1所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料包括电化学非活性相。
3.一种钠离子电池，包括：
包含钠的阴极；
包含钠的电解质；和
电化学活性阳极材料，所述电化学活性阳极材料包括：
电化学活性相；和
电化学非活性相；
其中所述电化学活性相和所述电化学非活性相共享至少一个共同的相界；
其中所述电化学活性相不包括氧、硫或卤素；并且
其中所述电化学活性相基本上不含大于40nm的晶粒。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料基本上不含大于40nm的晶粒。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料基本上不含大于30nm的晶粒。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料为基本上无定形的。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性相为基本上无定形的。
8.根据权利要求2至5和7中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学非活性相基本上不含大于40nm的晶粒。
9.根据权利要求2至5和7至8中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学非活性相为无定形的。
10.根据权利要求2至5和7至9中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学非活性相和所述电化学活性相两者为基本上无定形的。
11.根据权利要求2至5和7至9中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学非活性相和所述电化学活性相两者基本上不含大于40nm的晶粒。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料包含锡或碳。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料包含过渡金属。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料包含合金。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料呈粉末的形式。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料呈薄膜的形式。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料基本上不含大于20nm的晶粒。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的钠离子电池，其中所述电化学活性阳极材料基本上不含大于10nm的晶粒。
19.一种电子装置，包括根据权利要求1至16中任一项所述的钠离子电池。
20.一种制备钠电池的方法，所述方法包括：
提供包含钠的阴极；
提供阳极，其中提供所述阳极包括使根据权利要求1至15中任一项所述的电化学活性阳极材料的前体结合并球磨所述前体；以及
将所述阴极和所述阳极结合到包含电解质的电池中，其中所述电解质包含钠。
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