CN111952532A - 预钠化后的钠离子二次电池负极材料及其机械预钠化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种预钠化后的钠离子二次电池负极材料及机械预钠化方法，机械预钠化方法，包括如下步骤：步骤1，准备预定厚度的片状的电池负极材料；步骤2，在手套箱中，准备预定厚度的钠金属片；步骤3，将钠金属片与片状的电池负极材料置于干燥环境中并将该钠金属片与片状的负极材料平整地贴合在一起得到贴合材料；步骤4，通过压力设备对贴合材料进行压制使钠金属片完全嵌入片状负极材料中，得到预钠化后的钠离子二次电池负极材料。

Description

预钠化后的钠离子二次电池负极材料及其机械预钠化方法
技术领域
本发明属于电池负极材料领域，具体涉及一种预钠化后的钠离子二次电池负极材料及其机械预钠化方法。
背景技术
随着社会的发展和世界人口的不断增长，人类对能源的需求日益增加，而发展先进的储能技术是合理、高效利用能源的关键。以锂离子电池为代表的清洁二次能源具有能量转化率高、能量密度高、污染少等优点，在各行各业广受青睐。然而锂元素的自然丰度只有约0.0065％，锂的资源储量和成本将严重制约未来锂离子电池的发展。钠与锂同属第一主族，理化性质相似，具有相近的电极电势，且海水中拥有大量的氯化钠，面对锂资源的分布不均匀、价格波动大等现实问题，发展钠离子二次电池是储能研究中的一个热门课题。钠离子电池能量密度虽然比不上锂离子电池，但远高于铅酸电池(≈40Wh/kg)，有望用于低速电动车、家庭储能、大规模储能以及分布式储能等领域。
钠离子电池的能量密度取决于正负极材料，较为成熟的正极材料主要以过渡金属氧化物、磷酸盐以及普鲁士蓝体系为主。单从能量密度的角度，金属钠是钠离子二次电池负极材料的不二选择，因为金属钠具有最高的比容量，且密度小质量轻。然而，过于活泼的化学性十分容易引发严重的安全问题，如起火、爆炸等。目前钠离子二次电池负极材料主要以硬碳为主，虽然硬碳类负极材料循环性能较好，但比容量只有200mAh/g左右；而合金类负极一般具有较高的比容量，但存在首次库伦效率低、电极粉化等问题。实现负极材料快速、高效预钠化是提高首次库伦效率和循环性能的主要解决办法。然而，对于钠离子电池负极材料的预钠化方法，现在鲜有报道。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供预钠化后的钠离子二次电池负极材料及其机械预钠化方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
<方案一>
本发明提供了一种钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，准备预定厚度的片状的电池负极极片；
步骤2，在手套箱中，准备预定厚度的钠金属片；
步骤3，将钠金属片与片状的电池负极极片置于手套箱中并将该钠金属片与片状的电池负极极片平整地贴合在一起得到贴合材料；
步骤4，通过压力设备对贴合材料进行压制使钠金属片完全嵌入片状负极材料中，得到预钠化后的钠离子二次电池负极材料。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，片状的电池负极极片的厚度为15-200μm，步骤2中，钠金属片的厚度为5-100μm。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，片状的电池负极极片为纯金属或合金材料制成的金属箔。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，片状的电池负极极片与钠金属片的厚度比为1～10:1。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，纯金属为金属锡，合金材料为锡基合金。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中片状的电池负极极片的准备过程如下：将粉末材料与导电剂以及粘结剂混合并搅拌均匀形成浆料；以及将浆料涂覆在集流体上并烘干得到片状的电池负极极片，粉末材料为硬碳、锡粉、锡-碳复合粉中的一种或更多种。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，压力设备为热压机、压片机以及冷压机中的一种，步骤三中的压制的过程为：通过压力设备在5MPa-30MPa的压力下对贴合材料压制5min-2h后得到预钠化后电池负极材料。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，压力设备为热压机，步骤三中，压制的温度条件为40-80℃。
在本发明提供的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法中，还可以具有这样的特征：其中，压力设备为辊压机，步骤三中的压制的过程为：将辊压机的两个辊轴之间的间距设置为小于贴合材料的厚度，通过辊压机对贴合材料辊压5-10次且在进行每一次辊压后将两个辊轴之前的间距调小得到预钠化后电池负极材料。
<方案二>
本发明还提供了一种采用上述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法制备得到的预钠化后的钠离子二次电池负极材料。
发明的作用与效果
根据本发明的预钠化后的钠离子二次电池负极材料及其机械预钠化方法，将预定厚度的钠金属片与片状的电池负极极片置于干燥环境中并将该钠金属片与片状的电池负极极片平整地贴合在一起后得到贴合材料，并通过压力设备对贴合材料进行压制得到预钠化后的二次电池负极材料，在不损害电池能量密度的前提下，提高了钠金属负极的安全性，操作简单，制作时间短，不需复杂的设备，具有普遍适用性，易于推广，具备极大的商业价值。
附图说明
图1是本发明实施例一中将纯锡箔与钠金属片机械预钠制备的示意图；
图2为本发明实施例一中预钠化后的钠离子二次电池负极材料的实物图，图2的左部分是纯锡，右部分是机械预钠化后颜色变深的钠锡合金实物图；以及
图3为采用本发明实施例一中预钠化后的负极材料制得的二次电池的理论放电比容量随循环次数变化的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例一>
图1是本发明实施例一中将纯锡箔与钠金属片机械预钠化制备的示意图。
如图1所示，本实施例的基于钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法包括如下步骤：
步骤1，准备100μm的锡箔。
步骤2，在手套箱中，擀出厚度为50μm的钠金属片。
步骤3，在手套箱中将钠金属片与锡箔置于干燥环境中并将该钠金属片与锡箔平整地贴合在一起得到贴合材料。
步骤4，通过冷压机在30MPa的压力下对贴合材料进行压制10min得到预钠化后的钠离子二次电池负极材料。
图2为本发明实施例一中预钠化后的钠离子二次电池负极材料的实物图。
锡箔初始为银白色，如图2所示，当对贴合材料进行辊压完成后，得到了黑色的材料，同时钠金属片消失不见，表明钠和锡已经成功合金化得到了预钠化后的钠离子二次电池负极材料。
图3为采用本发明实施例一中预钠化后的负极材料制得的二次电池的理论放电比容量随循环次数变化的示意图。
采用磷酸钒钠作为钠电池正极，本实施例的预钠化后的钠离子二次电池负极材料作为负极制得钠离子二次电池。
如图3所示，横坐标表示钠离子二次电池的循环次数，纵坐标表示钠离子二次电池的比容量，由图3可以看出，钠离子二次电池的初始比容量为114.5mAh/g(以正极计算)，循环100次后，容量保持在99.2mAh/g，说明该钠离子二次电池容量稳定，循环性能好，表明本实施的机械预钠化方法制备的预钠化后的钠离子二次电池负极材料具有优异的性能。
<实施例二>
本实施例的基于钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法包括如下步骤：
步骤1，准备15μm-100μm的锡基合金箔，该锡基合金箔可以为Cu-Sn,Co-Sn,Ag-Sn,Cu-Ag-Sn,Zn-Sn,Sb-Sn,Bi-Sn,In-Sn,In-Bi-Sn等锡合金；
步骤2，在手套箱中，擀出厚度为锡基合金箔厚度的1/10～1的钠金属片。
步骤3，在手套箱中将钠金属片与锡基合金箔置于干燥环境中并将该钠金属片与锡基合金箔平整地贴合在一起得到贴合材料。
步骤4，将辊压机的两个辊轴之间的间距设置为小于贴合材料的总厚度，通过辊压机对贴合材料辊压5次且在进行每一次辊压后将两个辊轴之前的间距调小，使钠金属片完全和锡基合金发生合金化反应得到预锂化后的锂离子二次电池负极材料。
<实施例三>
本实施例的基于钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法包括如下步骤：
步骤1，将锡粉或硬碳粉与导电剂、粘结剂混合在一起，搅拌均匀后涂覆在铜集流体上并干燥制得厚度为15μm-100μm的片状的电池负极极片。
步骤2，在手套箱中，擀出厚度为5μm-100μm的钠金属片。
步骤3，在手套箱中将钠金属片与片状的电池负极极片置于手套箱中并将该钠金属片与片状的电池负极极片平整地贴合在一起；
步骤4，通过热压机在40-80℃温度下且在8MPa的压力下对贴合材料进行压制5min-2h得到预钠化后的钠离子二次电池负极材料。实施例的作用与效果
根据本实施例的预钠化后的钠离子二次电池负极材料及其机械预钠化方法，将预定厚度的钠金属片与片状的电池负极极片置于干燥环境中并将该钠金属片与片状的电池负极极片平整地贴合在一起得到贴合材料，并通过压力设备对贴合材料进行压制得到预钠化后的二次电池负极材料，在不损害电池能量密度的前提下，提高了钠金属负极的安全性，操作简单，制作时间短，不需复杂的设备，具有普遍适用性，易于推广，具备极大的商业价值。
而且，由图3可以看出，钠离子二次电池的初始比容量为114.5mAh/g(以正极计算)，循环100次后，容量保持在99.2mAh/g，说明该钠离子二次电池容量稳定，循环性能好，表明本实施的机械预钠化方法制备的预钠化后的钠离子二次电池负极材料具有优异的性能。
此外，通过控制片状的电池负极极片与钠金属片的厚度比为1～10:1来控制钠锡合金和剩余片状的电池负极极片的比例，确保制得的预钠化后的二次电池负极材料的表面保留有一定厚度的片状的电池负极极片作为集流体。
进一步，通过压力设备在5MPa-30MPa的压力下对贴合材料压制5min-2h使钠金属片能够完全压入至的电池负极极片中，使得制得的预钠化后的电池负极材料具有较好的循环稳定性。
另外，在40-80℃的温度条件对堆叠后电池负极材料进行压制加快钠离子的传导，缩短预钠化的时间，尤其适用于含粘结剂等非活性物质的负极。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，准备预定厚度的片状的电池负极极片；
步骤2，在手套箱中，准备预定厚度的钠金属片；
步骤3，将所述钠金属片与所述片状的电池负极极片置于干燥环境中并将该钠金属片与所述片状的电池负极极片平整地贴合在一起得到贴合材料；
步骤4，通过压力设备对所述贴合材料进行压制使所述钠金属片完全嵌入所述片状的电池负极极片中，得到预钠化后的钠离子二次电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于：
其中，所述步骤1中，所述片状的电池负极极片的厚度为15-200μm，
所述步骤2中，所述钠金属片的厚度为5-100μm。
3.根据权利要求1所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于：
其中，所述片状的电池负极极片为纯金属或合金材料制成的金属箔。
4.根据权利要求3所述的锂离子二次电池负极材料的机械预锂化方法，其特征在于：
其中，所述片状的电池负极极片与所述钠金属片的厚度比为1～10:1。
5.根据权利要求3所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于：
其中，所述纯金属为金属锡或金属铝，
所述合金材料为锡基合金。
6.根据权利要求1所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于：
其中，步骤1中所述片状的电池负极极片的准备过程如下：
将粉末材料与导电剂以及粘结剂混合并搅拌均匀形成浆料；以及
将所述浆料涂覆在集流体上并烘干得到所述片状电池负极极片，
所述粉末材料为硬碳、锡粉、锡-碳复合粉中的一种或更多种。
7.根据权利要求1所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于：
其中，所述压力设备为热压机、压片机以及冷压机中的一种，
步骤三中的所述压制的过程为：通过所述压力设备在5MPa-30MPa的压力下对所述堆叠电池负极材料压制5min-2h后得到预钠化后电池负极材料。
8.根据权利要求7所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于：
其中，所述压力设备为热压机，
步骤三中，所述压制的温度条件为40-80℃。
9.根据权利要求1所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法，其特征在于：
其中，所述压力设备为辊压机，
步骤三中的所述压制的过程为：将所述辊压机的两个辊轴之间的间距设置为小于所述堆叠电池负极材料的厚度，通过所述辊压机对所述堆叠电池负极材料辊压5-10次且在进行每一次辊压后将两个所述辊轴之前的间距调小得到预钠化后电池负极材料。
10.一种如权利要求1～9所述的钠离子二次电池负极材料的机械预钠化方法制备得到的预钠化后的钠离子二次电池负极材料。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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