CN114361570A - 一种钠电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钠电池及其制备方法，其采用柔性MXene薄膜作为钠电池极片与隔膜的夹层，其中，Mxene选自Ti2C3、Nb2C、V2C、V4C3或Mo2C中的一种或多种的混合物。采用柔性MXene作为夹层，利用MXene表面丰富的官能团和较大的层间距阻止有机物在电解液中的溶解，保持其高可逆容量。

Description

一种钠电池及其制备方法
技术领域
本发明属于钠电池技术领域，具体涉及一种钠电池及其制备方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
钠离子电池主要使用基于插层-脱嵌机制的无机电极材料，但是钠离子的半径较大，限制了高效的无机电极材料的发展，相比之下，有机琨类电极材料具有大空隙空间，在电化学循环过程中利用自身高反应活性的碳氧双键与钠离子反应，可以可逆地存储钠离子，且该材料具有较高的理论比容量、较高的氧化还原电位和较好的电化学性能，具有很大的应用潜力。
但是有机琨类电极材料的自身导电性差，在电解液中的溶解性较高，面临着实际应用的挑战。为了解决存在的上述问题，人们通过使用碳材料进行复合，设计合成新型聚合物，改善有机琨类材料的溶解问题，获得良好的电化学性能。但是仍然存在新型聚合物的有机合成过程与改性方法过于复杂，且耗时过长的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种钠电池及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种钠电池，其采用柔性MXene薄膜作为钠电池极片与隔膜的夹层，其中，Mxene选自Ti2C3、Nb2C、V2C、V4C3或Mo2C中的一种或多种的混合物。
第二方面，本发明提供所述钠电池的制备方法，包括如下步骤：
将Mxene胶体溶液真空抽滤干燥，得柔性MXene薄膜，裁切后作为夹层置于极片与隔膜之间，组装成钠离子电池。
上述本发明的一个或多个实施例取得的有益效果如下：
(1)本发明对传统的钠电池配置进行了简单的调整，采用柔性MXene作为夹层，利用MXene表面丰富的官能团和较大的层间距阻止有机物在电解液中的溶解，保持其高可逆容量。
(2)本发明采用了柔性MXene薄膜作为夹层，并与有机琨类电极材料共同组装钠电池，用一种简单的方法实现了钠电池的制备过程并加强有机材料的导电性，促进了Na+的传输，保持其高可逆容量，实现其高能量密度。
(3)本发明制备的钠电池具有循环性好，高能量密度等优点。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1制备的柔性MXene薄膜XRD图；
图2为本发明实施例1制备的样品XRD图；
图3为本发明实施例1制备的正极材料循环测试图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
第一方面，本发明提供一种钠电池，其采用柔性MXene薄膜作为钠电池极片与隔膜的夹层，其中，Mxene选自Ti2C3、Nb2C、V2C、V4C3或Mo2C中的一种或多种的混合物。
在一些实施例中，所述柔性MXene薄膜为圆片。
进一步的，所述柔性MXene薄膜的厚度为15-25μm。柔性MXene薄膜夹层的质量为10-20mg，优选为10-15mg。
在一些实施例中，钠电池的正极材料为有机琨类电极材料，该正极材料以铝箔作为集流体。
进一步的，钠电池的正极材料中，Na2C6O6的质量分数为30％-50％。
在一些实施例中，所述隔膜选自PE隔膜、PP隔膜或玻璃纤维隔膜。
进一步的，所述隔膜为玻璃纤维隔膜。
第二方面，本发明提供所述钠电池的制备方法，包括如下步骤：
将Mxene胶体溶液真空抽滤干燥，得柔性MXene薄膜，裁切后作为夹层置于极片与隔膜之间，组装成钠离子电池。
在一些实施例中，钠离子电池的正极材料的制备方法为：以有机琨类电极材料作为有机正极，以碳黑作为导电剂，以PVDF(聚偏氟乙烯)作为粘结剂，按设定比例混合搅浆后负载在铝箔上，组装得到钠离子电池正极材料。
进一步的，所述有机琨类电极材料选自玫棕酸二钠(Na2C6O6)、5,7,12,14-并五苯四酮(PT)或苝四甲酸二酐(PTCDA)。
进一步的，有机琨类电极材料、碳黑和PVDF的质量比为4-8:1-4:1-4。
更进一步的，有机琨类电极材料、碳黑和PVDF的质量比为5-7:2-3:1-3。
再进一步的，有机琨类电极材料、碳黑和PVDF的质量比选自6:2:2、6:3:1、7:2:1或5:2:3。
在一些实施例中，所述柔性MXene薄膜采用MXene胶体溶液通过真空抽滤法抽滤成膜。
进一步的，所述MXene胶体溶液选自Ti3C2、TiNbC、Ti2C、V2C、Nb2C、(V0.5Cr0.5)3C2、V2C、Nb2C、Nb4C3、Ti3CN、Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、TiNbC或Ti3CN中的一种或两种以上的混合物。
再进一步的,所述MXene胶体溶液的制备步骤包括：将MAX相的粉末溶于盐酸和氟化物的混合溶液中，剥离MXene，分离得到的少层或多层的MXene胶体溶液；
更为具体的，所述MXene胶体溶液的制备步骤，通常是将MAX相的粉末用盐酸和氟化物的混合溶液中搅拌，然后加水离心洗涤除去多余的酸和氟化物，然后剥离多层MXene通过超声剥离或添加分层试剂并离心，分离得到的少层或多层的MXene胶体溶液。
进一步的，将上述获得的MXene胶体溶液采用真空抽滤法抽滤成膜，并在真空干燥箱内50°烘干12小时得MXene薄膜。
在一些实施例中，柔性MXene薄膜质量为10-15mg左右。
有机琨类电极材料优异的理论比容量使其具有应用于钠离子电池正极材料的研究价值，但是有机琨类电极材料作为钠离子电池的正极材料存在着许多的缺陷。如Na2C6O6电极材料，当它进行充放电循环时，在第一次循环后其可逆比容量存在着大量的损失，使得Na2C6O6电极材料的实际比容量远小于充放电循环中的理论比容量。同时有机琨类电极材料自身的导电性差和其在电解液中的溶解问题，也限制了其在钠离子电池中的应用。MXene具有高电导率、低工作电压(相对于Li/Li+：-0.2V-0.6V)，低电子扩散能垒等特性。研究表明钠离子在MXene层间脱/嵌阻力较小，钠离子插层后MXene的体积几乎不膨胀，利用MXene表面丰富的官能团与较大的层间距和其高导电性阻止有机物在电解液中的溶解，保持其高可逆容量。
对传统的钠电池配置进行了简单的调整，无需复杂的有机合成和表面化学改性这种新型方法不仅简化了电池加工，而且实现了高容量和循环寿命，从而提高了钠电池的实用性。该钠离子电池还包括粘结剂、导电剂、集流体、正极、电解液和隔膜，粘结剂为PVDF、导电剂为Super-P，电池内部填充有电解液，所选电解液为1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)，1.0MNaPF6(100％DIGLYME)的其中一种。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
实施例1
取0.21g玫棕酸二钠、0.06g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照7:2:1质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
制备MXene胶体溶液：将Ti3A1C2MAX相用盐酸和氟化锂刻蚀除去铝，洗涤除去酸和其余杂质，再加入去离子水分散，用手摇晃，离心得到Ti3C2TXMXene胶体溶液。
柔性MXene薄膜的制备方法：将上述获得的MXene胶体溶液采用真空抽滤法抽滤成膜，并在真空干燥箱内50℃烘干12小时得MXene薄膜。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
图1展示了柔性MXene薄膜的XRD图，表明MXene的成功制备。图2展示了正极材料的XRD图，表明正极材料的成功制备。图3展示了带有MXene夹层的2032型扣式电池的循环性能测试(电流密度为200mA g-1)，从图中可以看出该实施例制备的电池在循环80周之后仍有92mAh/g的放电比容量，实现了高能量密度。
实施例2
取0.18g玫棕酸二钠、0.09g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照6:3:1质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片。将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例3
取0.09g玫棕酸二钠、0.03g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照6:2:2质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例4
取0.05g玫棕酸二钠、0.015g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照5:2:3质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例5
取0.21g 5,7,12,14-并五苯四酮(PT)、0.06g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照7:2:1质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例6
取0.18g 5,7,12,14-并五苯四酮(PT)、0.09g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照6:3:1质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例7
取0.09g 5,7,12,14-并五苯四酮(PT)、0.03g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照6:2:2质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例8
取0.05g 5,7,12,14-并五苯四酮(PT)、0.015g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照5:2:3质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例9
取0.21g苝四甲酸二酐(PTCDA)、0.06g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照7:2:1质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例10
取0.18g苝四甲酸二酐(PTCDA)、0.09g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照6:3:1质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例11
取0.09g苝四甲酸二酐(PTCDA)、0.03g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照6:2:2质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
实施例12
0.05g苝四甲酸二酐(PTCDA)、0.015g导电剂(炭黑)及粘结剂(3％PVDF)1g按照5:2:3质量比混料，磁力搅拌一段时间，混匀浆料。然后将浆料均匀涂覆在铝箔上，并放在真空干燥箱80℃下真空干燥，将所得薄膜用冲片机裁成直径为10mm的圆片用来组装电池。
将MXene胶体溶液真空抽滤烘干得薄膜后裁切为16mm圆片，作为夹层放置于极片与隔膜之间组装钠离子电池。
将上述合成的有机正极材料、MXene夹层、1.0MNaPF6(EC：EMC＝1:1、5％FEC)、金属钠片、以及电池正负极壳层堆叠组装，然后封口，组装成2032型扣式电池。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钠电池，其特征在于：其采用柔性MXene薄膜作为钠电池极片与隔膜的夹层，其中，Mxene选自Ti2C3、Nb2C、V2C、V4C3或Mo2C中的一种或多种的混合物。
2.根据权利要求1所述的钠电池，其特征在于：所述柔性MXene薄膜为圆片；
进一步的，所述柔性MXene薄膜的厚度为15-25μm。
3.根据权利要求1所述的钠电池，其特征在于：钠电池的正极材料为有机琨类电极材料，该正极材料以铝箔作为集流体。
进一步的，钠电池的正极材料中，有机琨类电极材料的质量分数为30％-50％。
4.根据权利要求1所述的钠电池，其特征在于：所述隔膜选自PE隔膜、PP隔膜或玻璃纤维隔膜；
进一步的，所述隔膜为玻璃纤维隔膜。
5.权利要求1-4任一所述钠电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将Mxene胶体溶液真空抽滤干燥，得柔性MXene薄膜，裁切后作为夹层置于极片与隔膜之间，组装成钠离子电池。
6.根据权利要求5所述的钠电池的制备方法，其特征在于：其MXene胶体溶液是将MAX相的粉末用盐酸和氟化物的混合溶液中搅拌，然后加水离心洗涤除去多余的酸和氟化物，然后剥离多层MXene通过超声剥离或添加分层试剂并离心，分离得到的少层或多层的Mxene薄膜。
7.根据权利要求5所述的钠电池的制备方法，其特征在于：钠离子电池的正极材料的制备方法为：以有机琨类电极材料作为有机正极，以碳黑作为导电剂，以PVDF作为粘结剂，按设定比例混合搅浆后负载在铝箔上，组装得到钠离子电池正极材料。
8.根据权利要求6所述的钠电池的制备方法，其特征在于：所述有机琨类电极材料选自玫棕酸二钠、5,7,12,14-并五苯四酮或苝四甲酸二酐。
9.根据权利要求8所述的钠电池的制备方法，其特征在于：有机琨类电极材料、碳黑和PVDF的质量比为4-8:1-4:1-4。
10.根据权利要求9所述的钠电池的制备方法，其特征在于：有机琨类电极材料、碳黑和PVDF的质量比为5-7:2-3:1-3；
进一步的，有机琨类电极材料、碳黑和PVDF的质量比选自6:2:2、6:3:1、7:2:1或5:2:3。
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