CN104966813A - 一种钠离子电池负极片及钠离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钠离子电池负极片，该负极片为多孔石墨膜结构，孔的直径为2~30微米，孔的圆心之间距离为5~50微米，多孔石墨膜中碳原子所占质量比大于99%，该负极片可直接用作钠离子电池负极片，避免了导电剂、粘结剂及金属集流体的使用，且容量高、耐腐蚀、导电性好。本发明还公开了一种使用该负极片的钠离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液，所述的钠离子电池电解液中溶剂为二乙醇二甲醚、四乙醇二甲醚、四氢呋喃中的一种或多种，电解质为高氯酸钠、六氟磷酸钠、四氟硼酸钠、三氟甲基磺酸钠中的一种，该钠离子电池制作工艺简单、充放电循环稳定性好，在新能源领域具有良好的应用前景。

Description

一种钠离子电池负极片及钠离子电池
技术领域
本发明涉及一种电化学储能器件，特别涉及一种钠离子电池负极片及使用该负极片的锂离子电容器。
背景技术
在全球高度重视气候变化与节能减碳的趋势中，新能源产业成为新世纪的战略新兴产业之一。作为新能源产业的重要支撑和辅助技术，储能器件受各方关注。在我国，随着纯电动汽车和混合动力汽车的快速发展、智能电网的稳步推进、风能和太阳能等可再生能源的大规模入网、地区峰值负荷的增长，各种应用问题也随之出现，对储能器件的能量密度、功率密度、使用寿命及成本提出了更高的要求。
锂离子电池是当今技术发展最为成熟、应用最为广泛的电化学储能器件，然而，锂在地壳中的丰度很低。随着新能源行业对锂离子电池需求量的日益增加，从而对锂的需求量提出了更大的需求，这就大大限制了锂离子电池在大规模储能装置的快速发展。因此，寻找可替代锂资源、发展下一代新型高性能储能器件成为迫在眉睫的问题。钠金属与锂金属在元素周期表中同处于第Ⅰ主族，在电化学反应过程中具有相似的行为，因此完全可以将现有锂离子储能电池中的锂替换成钠，开发高性能钠离子电池，并且钠金属在地壳中的丰度要远高于锂金属，广阔的海洋中蕴含着丰富的锂资源，成本低廉。
常规的钠离子电池一般采用硬炭或合金类材料作为负极，以脂类液体材料作为钠离子电池电解液中的溶剂。如报道Journal of Power Sources, 2013, 244: 752、Electrochimica Acta, 2002, 47: 3303、Electrochemistry Communications, 2013, 27: 85是采用硬炭材料作负极；另外的报道如Nanoscale, 2013, 5: 594、Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1:1781、 Physical Chemistry Chemical Physics, 2013, 15: 10885 采用合金材料作负极，这些材料除制备条件比较苛刻外（尤其是合金类材料），在用于钠离子电池负极片时，必须与粘结剂、导电剂材料混合成浆料按一定厚度涂覆在导电集流体上，不可以避免的带来工艺流程的复杂，且与集流体与浆料之间不可避免带来接触电阻，另外由于极片厚度往往达到100 微米甚至200微米，电池的体积明显增加，这样影响了钠离子电池体积能量密度的发挥。而对于合金类材料，在充放电过程中，钠离子在合金负极材料中反复的嵌入/脱出，造成巨大的体积膨胀和收缩效应，从而材料结构坍塌，影响钠离子电池循环性能和安全性。专利CN103647068A、CN103633310A、CN103553129A 公开的合金负极材料及CN102701184A、CN102709534A所公开的炭负极材料均存在着相似的问题。另外，从公开的文献报道和公开的专利来看，尚无发现采用激光刻蚀法制备多孔石墨膜在钠离子电池负极中的应用。
发明内容
本发明为了解决上述存在的问题，提供了一种钠离子电池负极片及钠离子电池。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种钠离子电池负极片，该负极片为多孔石墨膜，孔的形状为圆形结构，孔的直径为10~100 微米，孔的圆心之间距离为50~500 微米，多孔石墨膜中碳原子所占质量比大于99%。
所述的钠离子电池负极片，多孔石墨膜的基材可以是聚酰亚胺石墨膜、膨胀石墨膜、石墨烯复合膜中的一种。
所述的钠离子电池负极片，多孔石墨膜是将基材通过激光刻蚀方法得到，激光刻蚀参数为： 功率10~50W， 打标速度500~3000mm/s ， 激光焦距50~300mm， 激光波长100~2000nm，频率5~30kHz，孔的直径及孔之间距离分别通过调整激光光束切割直径及孔距来实现。
一种利用上述的负极片制备的钠离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液，所述的钠离子电池电解液中溶剂为二乙醇二甲醚、四乙醇二甲醚、四氢呋喃中的一种或多种，电解质为高氯酸钠、六氟磷酸钠、四氟硼酸钠、三氟甲基磺酸钠中的一种。
所述的钠离子电池， 正极片是将正极活性材料与粘结剂、导电剂按质量比100:2~10:5~10 比例混合后涂覆与铝箔集流体，再真空烘干后得到。
所述的钠离子电池，正极活性材料为Na3V2(PO4)3、Na3Ni2SbO6、NaNi0.5Mn0.5O2、Na(Mn1/3Fe1/3Ni1/3) O2 中的一种。
所述的钠离子电池，隔膜采用隔膜材料为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/ 聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布隔膜、玻璃纤维中的一种。
本发明具有的优点和积极效果是：与现有技术相比，本发明以常规的价廉易得、导电性良好聚酰亚胺石墨膜、膨胀石墨膜、石墨烯膜为基材，通过激光打孔方法，在炭膜上打出孔道结构，提高钠离子嵌入位点，避免了常规电池负极极片制备工艺中导电剂、粘结剂和金属集流体的使用，提高了有效活性材料利用率；同时电解液以二乙醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、四氢呋喃醚类有机材料为溶剂，在钠离子电解质存在情况下，通过共嵌入方式，将钠离子插入到石墨负极材料中，从而构成一种性能稳定的钠离子电池，充放电循环稳定性良好。
附图说明
图1 实施例1 中的聚酰亚胺多孔石墨膜扫描电子显微镜图。
图2 实施例1 钠离子电池充放电曲线。
图3 实施例2 钠离子电池充放电曲线。
图4 实施例3 钠离子电池充放电曲线。
图5 实施例1、2、3 钠离子电池的充放电循环性能曲线。
具体实施方式
实施例1
负极极片制备：
取尺寸为20cm×20cm 的自制聚酰亚胺石墨膜，该石墨膜厚度为20μm。将该膜置于激光打孔机样品放置台处，调整激光刻蚀参数：功率20W，打标速度1500mm/s，激光焦距160mm，激光波长1064nm，频率20kHz，孔的直径及孔之间距离分别通过调整激光光束切割直径及孔距，启动电源，经打孔后得到圆孔直径为50μm、孔之间距离为240μm，碳原子所占质量比为99.5%。图1 为其扫描电子显微镜图。
将上述得到的聚酰亚胺多孔石墨膜使用分切机分切成4cm×3cm 的极片，置于120℃真空烘箱中烘干、待用，以制备铝塑软包装电池。
正极片制备：
将正极活性材料Na3V2(PO4)3 与导电炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯按质量比100:10:5 的比例混合成浆料，采用N-甲基吡咯烷酮调整浆料的粘度，之后将浆料涂覆于铝箔集流体上，使用分切机分切成4cm×3cm 的极片，烘干后，置于120℃真空烘箱中烘干、待用。
电解液调配：
在充满氩气手套箱中，称取167.95 克六氟磷酸钠（NaPF6），之后在匀速搅拌情况下，将六氟磷酸钠慢慢加入到盛有1 升二乙二醇二甲醚（DEGDME）溶剂的烧杯中，待完全溶解后，形成1mol/L 的NaPF6/ DEGDME 电解液。
电池组装：
取上述制备好的负极片和正极片，采用单层聚丙烯膜隔膜将正负极隔开，滴加适量电解液，组装软包装钠离子电池，将电池搁置24 小时后，以0.1C 倍率进行充放电，充放电曲线如图2 所示，经100 次充放电循环后，如图5 所示容量保持率为99.8%。
实施例2
将实施例1 中的聚酰亚胺石墨膜负极基材换成膨胀石墨膜，厚度为25μm，调整打孔参数，使得膨胀石墨多孔膜的孔间距为280μm，电解液改为1mol/L 的三氟甲基磺酸钠/四乙醇二甲醚，其余过程与实施例1 相同。将制备出的钠离子电池以0.1C 倍率进行充放电，充放电曲线如图3 所示，经100 次充放电循环后，如图5 所示容量保持率为97.8%。
实施例3
将实施例1 中的聚酰亚胺石墨膜负极基材换成石墨烯复合膜，厚度为20μm，调整打孔参数，使得石墨烯多孔复合膜的孔间距为260μm，正极材料改为NaNi0.5Mn0.5O2，其余过程与实施例1 相同。将制备出的钠离子电池以0.1C 倍率进行充放电，充放电曲线如图3 所示，经100 次充放电循环后，如图5 所示容量保持率为98.4%。
实施例4
将实施例1 中聚酰亚胺石墨膜经打孔后得到圆孔直径为10μm、孔之间距离为50μm 的多孔石墨膜，正极材料为Na3Ni2SbO6，电解液变为1mol/L 的高氯酸钠/四氢呋喃溶液，隔膜变为纤维素无纺布隔膜，其余过程与实施例1 相同，将制备出的钠离子电池以0.1C 倍率进行充放电，经100 次充放电循环后，容量保持率为96.5%。
实施例5
将实施例1 中聚酰亚胺石墨膜经打孔后得到圆孔直径为100μm、孔之间距离为500μm 的多孔石墨膜，正极材料为Na(Mn1/3Fe1/3Ni1/3)O2，电解液变为1mol/L 的高氯酸钠/四氢呋喃溶液，隔膜变为玻璃纤维隔膜，其余过程与实施例1 相同，将制备出的钠离子电池以0.1C 倍率进行充放电，经100 次充放电循环后，容量保持率为97.5%。

Claims (7)

1.一种钠离子电池负极片，该负极片为多孔石墨膜，孔的直径为10~100 微米，孔的圆心之间距离为50~500 微米，多孔石墨膜中碳原子所占质量比大于99%。
2.根据权利要求1 所述的钠离子电池负极片，其特征在于：所述的多孔石墨膜的基材可以是聚酰亚胺石墨膜、膨胀石墨膜、石墨烯复合膜中的一种。
3.根据权利要求1 所述的钠离子电池负极片，其特征在于：所述的多孔石墨膜是将权利要求2 中的基材通过激光刻蚀方法得到，激光刻蚀参数为：功率10~50W，打标速度500~3000mm/s，激光焦距50~300mm，激光波长100~2000nm，频率5~30kHz，孔的直径及孔之间距离分别通过调整激光光束切割直径及孔距来实现。
4.一种利用权利要求1 所述的负极片制备的钠离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、电解液，所述的钠离子电池电解液中溶剂为二乙醇二甲醚、四乙醇二甲醚、四氢呋喃中的一种或多种，电解质为高氯酸钠、六氟磷酸钠、四氟硼酸钠、三氟甲基磺酸钠中的一种。
5.根据权利要求4 所述的钠离子电池，其特征在于：正极片是将正极活性材料与粘结剂、导电剂按质量比100:2~10:5~10 比例混合后涂覆与铝箔集流体，再真空烘干后得到。
6.根据权利要求4 所述的钠离子电池，其特征在于：正极活性材料为Na3V2(PO4)3、Na3Ni2SbO6、NaNi0.5Mn0.5O2、Na(Mn1/3Fe1/3Ni1/3) O2 中的一种。
7.根据权利要求4 所述的钠离子电池，其特征在于：隔膜采用隔膜材料为单层聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯的复合膜、纤维素无纺布隔膜、玻璃纤维中的一种。
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