CN110783621A - 一种水系钠离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水系钠离子电池技术领域，且公开了一种水系钠离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述正极材料为锰的氧化物，所述负极材料为磷酸肽钠，所述电解液为硫酸钠溶液，所述隔膜为PP无纺布。该水系钠离子电池的制备方法，通过将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，制得的正极材料与电解液的接触面积大，离子传输距离缩短，有利于碱金属离子的嵌入和脱出，表现为其电化学性能提升。

Description

一种水系钠离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及水系钠离子电池技术领域，具体为一种水系钠离子电池及其制备方法。
背景技术
钠离子电池是一种二次电池(充电电池)，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似，钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉，由于钠离子比锂离子更大，所以当对重量和能量密度要求不高时，钠离子电池是一种划算的替代品，与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有，钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半，由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20％左右)降低成本，钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8％左右，降低重量10％左右，由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏，钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。
中国专利CN 106374147 A公开了一种柔性水系钠离子电池及其制备方法，该专利具有轻质量、低成本、高柔韧性和高安全性环境友好等优势，为应用于可穿戴电子器件领域提供了可能，但是该专利中正极材料的电化学性能较差，故而提出一种水系钠离子电池及其制备方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种水系钠离子电池及其制备方法，具备电化学性能好等优点，解决了传统水系钠离子电池正极材料电化学性能较差的问题。
(二)技术方案
为实现上述电化学性能好的目的，本发明提供如下技术方案：一种水系钠离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述正极材料为锰的氧化物，所述负极材料为磷酸肽钠，所述电解液为硫酸钠溶液，所述隔膜为PP无纺布。
优选的，所述硫酸钠溶液为2mol/L的硫酸钠溶液。
一种水系钠离子电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将碳源与钛源投入无水乙醇内，以60转每分钟的转速搅拌十五分钟，投入钠源和磷源，以30转每分钟的转速搅拌五十分钟，加入去离子水，投入干燥设备内干燥，粉碎后加热到400摄氏度，保持温度六小时，冷却至室温后加热到600摄氏度，得到作为负极材料的磷酸肽钠；
2)将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，将样品置于80摄氏度真空烘箱中干燥24小时，将得到的产物投入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌混合均匀后加入K2CO3，以30转每分钟的转速搅拌15分钟，将烧杯转移到电热套中，在80摄氏度条件下搅拌混合，直到乙醇蒸发完全，收集烧杯中的产物，投入坩埚，采用不同的温度在马弗炉中进行热处理2小时，依次采用去离子水和无水乙醇洗涤样品，将产物投入真空烘箱中干燥，制得作为正极材料的锰的氧化物；
3)将大块的PP无纺布裁切为小块矩形，制得作为隔膜的PP无纺布；
4)将步骤1制得的负极材料、步骤2制得的正极材料和步骤3制得的隔膜浸泡在硫酸钠溶液内，正极材料与负极材料之间为隔膜，正负极以金属导线引出，得到所求一种水系钠离子电池。
优选的，步骤2所述将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，微波反应温度为150摄氏度，反应时间设定为15分钟。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种水系钠离子电池及其制备方法，具备以下有益效果：
1、该水系钠离子电池的制备方法，通过将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，将样品置于80摄氏度真空烘箱中干燥24小时，将得到的产物投入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌混合均匀后加入K2CO3，以30转每分钟的转速搅拌15分钟，将烧杯转移到电热套中，在80摄氏度条件下搅拌混合，直到乙醇蒸发完全，收集烧杯中的产物，投入坩埚，采用不同的温度在马弗炉中进行热处理2小时，依次采用去离子水和无水乙醇洗涤样品，将产物投入真空烘箱中干燥，制得作为正极材料的锰的氧化物，制得的正极材料与电解液的接触面积大，离子传输距离缩短，有利于碱金属离子的嵌入和脱出，表现为其电化学性能提升。
2、该水系钠离子电池的制备方法，通过将碳源与钛源投入无水乙醇内，以60转每分钟的转速搅拌十五分钟，投入钠源和磷源，以30转每分钟的转速搅拌五十分钟，加入去离子水，投入干燥设备内干燥，粉碎后加热到400摄氏度，保持温度六小时，冷却至室温后加热到600摄氏度，得到的负极材料锂离子传导速度快，表现为其电化学性能提升。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：一种水系钠离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，正极材料为锰的氧化物，负极材料为磷酸肽钠，电解液为硫酸钠溶液，隔膜为PP无纺布。
硫酸钠溶液为2mol/L的硫酸钠溶液。
一种水系钠离子电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将碳源与钛源投入无水乙醇内，以60转每分钟的转速搅拌十五分钟，投入钠源和磷源，以30转每分钟的转速搅拌五十分钟，加入去离子水，投入干燥设备内干燥，粉碎后加热到400摄氏度，保持温度六小时，冷却至室温后加热到600摄氏度，得到作为负极材料的磷酸肽钠；
2)将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，将样品置于80摄氏度真空烘箱中干燥24小时，将得到的产物投入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌混合均匀后加入K2CO3，以30转每分钟的转速搅拌15分钟，将烧杯转移到电热套中，在80摄氏度条件下搅拌混合，直到乙醇蒸发完全，收集烧杯中的产物，投入坩埚，采用不同的温度在马弗炉中进行热处理2小时，依次采用去离子水和无水乙醇洗涤样品，将产物投入真空烘箱中干燥，制得作为正极材料的锰的氧化物；
3)将大块的PP无纺布裁切为小块矩形，制得作为隔膜的PP无纺布；
4)将步骤1制得的负极材料、步骤2制得的正极材料和步骤3制得的隔膜浸泡在硫酸钠溶液内，正极材料与负极材料之间为隔膜，正负极以金属导线引出，得到所求一种水系钠离子电池。
步骤2将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，微波反应温度为150摄氏度，反应时间设定为15分钟。
该水系钠离子电池的制备方法，通过将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，将样品置于80摄氏度真空烘箱中干燥24小时，将得到的产物投入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌混合均匀后加入K2CO3，以30转每分钟的转速搅拌15分钟，将烧杯转移到电热套中，在80摄氏度条件下搅拌混合，直到乙醇蒸发完全，收集烧杯中的产物，投入坩埚，采用不同的温度在马弗炉中进行热处理2小时，依次采用去离子水和无水乙醇洗涤样品，将产物投入真空烘箱中干燥，制得作为正极材料的锰的氧化物，制得的正极材料与电解液的接触面积大，离子传输距离缩短，有利于碱金属离子的嵌入和脱出，表现为其电化学性能提升。
实施例2：一种水系钠离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，正极材料为锰的氧化物，负极材料为磷酸肽钠，电解液为硫酸钠溶液，隔膜为PP无纺布。
硫酸钠溶液为2mol/L的硫酸钠溶液。
一种水系钠离子电池的制备方法，包括以下步骤：
1)将碳源与钛源投入无水乙醇内，以60转每分钟的转速搅拌十五分钟，投入钠源和磷源，以30转每分钟的转速搅拌五十分钟，加入去离子水，投入干燥设备内干燥，粉碎后加热到400摄氏度，保持温度六小时，冷却至室温后加热到600摄氏度，得到作为负极材料的磷酸肽钠；
2)将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，将样品置于80摄氏度真空烘箱中干燥24小时，将得到的产物投入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌混合均匀后加入K2CO3，以30转每分钟的转速搅拌15分钟，将烧杯转移到电热套中，在80摄氏度条件下搅拌混合，直到乙醇蒸发完全，收集烧杯中的产物，投入坩埚，采用不同的温度在马弗炉中进行热处理2小时，依次采用去离子水和无水乙醇洗涤样品，将产物投入真空烘箱中干燥，制得作为正极材料的锰的氧化物；
3)将大块的PP无纺布裁切为小块矩形，制得作为隔膜的PP无纺布；
4)将步骤1制得的负极材料、步骤2制得的正极材料和步骤3制得的隔膜浸泡在硫酸钠溶液内，正极材料与负极材料之间为隔膜，正负极以金属导线引出，得到所求一种水系钠离子电池。
步骤2将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，微波反应温度为150摄氏度，反应时间设定为15分钟。
该水系钠离子电池的制备方法，通过将碳源与钛源投入无水乙醇内，以60转每分钟的转速搅拌十五分钟，投入钠源和磷源，以30转每分钟的转速搅拌五十分钟，加入去离子水，投入干燥设备内干燥，粉碎后加热到400摄氏度，保持温度六小时，冷却至室温后加热到600摄氏度，得到的负极材料锂离子传导速度快，表现为其电化学性能提升。
本发明的有益效果是：该水系钠离子电池的制备方法，通过将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，将样品置于80摄氏度真空烘箱中干燥24小时，将得到的产物投入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌混合均匀后加入K2CO3，以30转每分钟的转速搅拌15分钟，将烧杯转移到电热套中，在80摄氏度条件下搅拌混合，直到乙醇蒸发完全，收集烧杯中的产物，投入坩埚，采用不同的温度在马弗炉中进行热处理2小时，依次采用去离子水和无水乙醇洗涤样品，将产物投入真空烘箱中干燥，制得作为正极材料的锰的氧化物，制得的正极材料与电解液的接触面积大，离子传输距离缩短，有利于碱金属离子的嵌入和脱出，表现为其电化学性能提升，通过将碳源与钛源投入无水乙醇内，以60转每分钟的转速搅拌十五分钟，投入钠源和磷源，以30转每分钟的转速搅拌五十分钟，加入去离子水，投入干燥设备内干燥，粉碎后加热到400摄氏度，保持温度六小时，冷却至室温后加热到600摄氏度，得到的负极材料锂离子传导速度快，表现为其电化学性能提升，解决了传统水系钠离子电池正极材料电化学性能较差的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种水系钠离子电池，其特征在于，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述正极材料为锰的氧化物，所述负极材料为磷酸肽钠，所述电解液为硫酸钠溶液，所述隔膜为PP无纺布。
2.根据权利要求1所述的一种水系钠离子电池，其特征在于，所述硫酸钠溶液为2mol/L的硫酸钠溶液。
3.一种水系钠离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将碳源与钛源投入无水乙醇内，以60转每分钟的转速搅拌十五分钟，投入钠源和磷源，以30转每分钟的转速搅拌五十分钟，加入去离子水，投入干燥设备内干燥，粉碎后加热到400摄氏度，保持温度六小时，冷却至室温后加热到600摄氏度，得到作为负极材料的磷酸肽钠；
2)将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，反应结束后冷却到室温，将反应后的产物转移到离心管中，依次采用去离子水和无水乙醇离心反复洗涤，将样品置于80摄氏度真空烘箱中干燥24小时，将得到的产物投入烧杯中，加入无水乙醇，搅拌混合均匀后加入K2CO3，以30转每分钟的转速搅拌15分钟，将烧杯转移到电热套中，在80摄氏度条件下搅拌混合，直到乙醇蒸发完全，收集烧杯中的产物，投入坩埚，采用不同的温度在马弗炉中进行热处理2小时，依次采用去离子水和无水乙醇洗涤样品，将产物投入真空烘箱中干燥，制得作为正极材料的锰的氧化物；
3)将大块的PP无纺布裁切为小块矩形，制得作为隔膜的PP无纺布；
4)将步骤1制得的负极材料、步骤2制得的正极材料和步骤3制得的隔膜浸泡在硫酸钠溶液内，正极材料与负极材料之间为隔膜，正负极以金属导线引出，得到所求一种水系钠离子电池。
4.根据权利要求3所述的一种水系钠离子电池的制备方法，其特征在于，步骤2所述将KMnO4放入到微波反应试管中，加入去离子水，以120转每分钟的转速搅拌五分钟，以30转每分钟的转速搅拌并加入HCI溶液，完成后将微波反应管密封，置于微波反应器中进行反应，微波反应温度为150摄氏度，反应时间设定为15分钟。
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