CN114400304A - 用于钠离子电池的负极浆料、应用及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于钠离子电池的负极浆料，具有主料；具有导电辅料；具有粘接剂辅材；具有溶剂；其中，主料为活性炭、硬碳、铁酸钠、钛酸钠、硅碳负极和硅负极中的一种；其中，导电辅料为炭黑、石墨烯、导电石墨和碳纳米管中的一种；其中，粘接剂辅材为丁苯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯和聚醋酸乙烯酯中的一种；其中，溶剂为水、酒精和乙酸乙酯中的一种。本发明的显著进步性至少体现在：提供了至少一种可工业化制造的、重复制造性能稳定的钠离子电池负极浆料。该负极浆料应用于钠离子电池时，通过涂布于铝箔上形成钠离子电池负极并实现以钠离子穿越于电池正负极之间的钠离子电池。且用于制造32140型号等的标准封装电池，实现了容量11Ah±0.5Ah，重量260g±5g的比锂离子电池更低成本和安全性等表现。
Description
技术领域
本发明属于钠离子电池制备技术领域，涉及钠离子电池的电极材料及材料制备技术，具体涉及一种用于钠离子电池的负极浆料、浆料与电池正极材料的应用组合以及浆料的制备工艺。
背景技术
电既可作为能源也可作为信息载体，已经深刻的影响着人类的几乎一切生产生活活动。
作为能源，相对于资源有限的化石能源，电能可以来自风能、太阳能、河流的水力势能等清洁可再生资源；运输转移性能方面具有化石能源等无可比拟的优势，可通过电力系统甚至自由空间无线传输。甚至，在评价人类文明等级方面，对电能的开发利用能力所代表的文明等级高于对化石能源的开发能力所代表的文明等级。
伴随着人类对化石能源有限性、不可再生性的认知的深入，以及对化石能源地域分布不均衡性可能导致的地域性能源危机的进一步意识；不少国家和地区已经将电能作为战略性能源。
但是，电能的可存储性不及化石能源等其他能源。大容量的电能存储目前没有经济有效的解决方案。由于电能的前端能源如风能、太阳能、水力势能的自然属性，几乎没有可控性，电能存储问题如果不解决，能源的利用效率将及其有限。于此同时，如果为了获得时刻充足的电能供应，则需要更冗余的电能转换系统进行过量配置，资源浪费显著。为了解决电能配置、存储的问题，电能存储将是电能战略地位的重要技术环节。在现有电能存储中，将电能转换为水力势能(抽水蓄能电站)、热能等的形式已有诸多尝试，但以电池作为存储介质仍然是最佳选择。
在现有电池储能中，锂离子电池是当前的成熟解决方案。但是锂电池存在电极材料活跃，可能存在燃烧、爆炸等风险，此外作为大容量储能，仍然受限于能量密度的有限性，存储造价偏高等问题。
钠离子电池作为锂离子电池的可能替代产品，能量密度及安全性得到一定的理论验证，但是在工业化生产中，材料稳定性、实际造出成品的能量密度及安全性、循环性等均存在重大缺陷，目前仍然没有成熟的工业级的钠离子电池材料及工艺解决方案。
发明内容
本发明的目的在于至少部分的解决背景技术中所涉及的钠离子电池材料稳定性、可制造性、成品能量密度不足、安全性及成品循环性等问题。
本发明的目的之一在于提供一种用于钠离子电池的负极浆料，其特征在于，
具有主料；
具有导电辅料；
具有粘接剂辅材；
具有溶剂；
其中，主料为活性炭、硬碳、铁酸钠、钛酸钠、硅碳负极和硅负极中的一种；
其中，导电辅料为炭黑、石墨烯和导电石墨中的一种；
其中，粘接剂辅材为丁苯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚丙烯酸酯中的一种；
其中，溶剂为水、酒精和乙酸乙酯中的一种。
优选的，所述主料在非溶剂物质中的质量分数不低于80％。
优选的，所述导电辅料在非溶剂物质中的质量分数不高于10％。
优选的，所述粘接剂在非溶剂物质中的质量分数不高于10％。
优选的，所述溶剂的质量参数固含量为20％-60％。
优选的，所述主料为90-92质量份的铁酸钠，导电辅料为6-8质量份的石墨烯，粘接剂为3-6质量份的聚丙烯酰胺；
其中，溶剂为乙酸乙酯，固含量为40-45％。
根据上述任一的用于钠离子电池的负极浆料的应用，用于钠离子电池负极，其特征在于，
其中，正极主料为锰酸钠。
用于钠离子电池的负极浆料制备工艺，其特征在于，
步骤S1，准备溶剂；
步骤S2，添加导电辅料至溶剂中并搅拌，形成第一中间剂；
步骤S3，添加主料至第一中间剂中并搅拌，形成第二中间剂；
步骤S4，添加粘接剂至第二中间剂中并搅拌，形成成品剂；
步骤S5，成品剂自然冷却至室温，完成所述负极浆料制备。
优选的，所述步骤S2中，搅拌线速度为10-25m/s，搅拌时长为0.5-5小时。
优选的，所述步骤S3中，搅拌线速度为10-30m/s，搅拌时长为0.5-10小时。
优选的，所述步骤S4中，搅拌线速度为10-25m/s，搅拌时长为0.5-6小时。
本发明的显著进步性至少体现在：提供了至少一种可工业化制造的、重复制造性能稳定的钠离子电池负极浆料。该负极浆料应用于钠离子电池时，通过涂布形成钠离子电池负极并实现以钠离子穿越于电池正负极之间的钠离子电池。且用于制造32140型号的标准封装电池，实现了容量11Ah±0.5Ah，重量260g±5g的优异能量密度表现，可达锂离子电池水平。且以4.2V的电压充满电时，3.0V以上放电容量达到56％，具有高电压大容量有效放电的特性。
附图说明
图1所示为本发明一实施例的用于钠离子电池的负极浆料制备工艺流程图；
图2为应用本发明一实施例的钠离子电池负极浆料制备的钠离子电池进行短路试验后的产品照片；
图3为应用本发明一实施例的钠离子电池负极浆料制备的钠离子电池进行挤压试验后的产品照片。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明提供如下实施例：
实施例1：
提供一种用于钠离子电池的负极浆料，该浆料可直接用于在电池隔膜上涂布形成钠离子电池的负极材料，可实现钠离子电池的全部负极功能，具体方案如下：
具有主料；
具有导电辅料；
具有粘接剂辅材；
具有溶剂；
其中，主料分别选用了活性炭、硬碳、硅碳负极和硅负极；
其中，导电辅料选用了炭黑、导电石墨和碳纳米管中；
其中，粘接剂辅材为丁苯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯和聚醋酸乙烯酯中的一种；
其中，溶剂选择为水和酒精。
经原理测试，以上原料制成的浆料，在除溶剂意外的主料质量分数不低于80％时，实当添加导电辅料和粘接剂，搅拌后用于钠离子电池负极涂布，均实现了电池功能。且使用酒精时，达到同样电池性能的前提下搅拌时间短约20％。
实施例2：
在实施例1的基础上，将主料进行替换，分别替换为铁酸钠和钛酸钠的一种，并将导电辅料替换为石墨烯。以32140标准制造的电池成品进行测试(与实施例1的测试条件相同)，电池的能量密度有所提高，可达到140-150Wh/kg。与此同时，其内阻为3.5mΩ；在短路和挤压测试中，电池性能优秀，无起火、爆炸及过度发热情况产生。
实施例3：
将溶剂替换为乙酸乙酯，并重复上述实施例的过程，发现也可有效达到上述效果。
实施例4：
作为可选实施例方案的一种，所述主料在非溶剂物质中的质量分数不低于80％，并以83％、85％、88％、90％、93％以及95％作为对比。同样的工艺，所制造的能量密度有递增趋势，均具有优势，但对比数据变化不明显。相应的，由于主料占比的提高，导致导电辅料和粘接剂的占比降低。
同时以粘接剂质量分数不高于10％，以及粘接剂的废溶剂物质中质量分数不低于10％作为限制条件，以2％的步长递增进行对比试验。
当粘接剂的质量分数低于3％时，浆料的成型性收到影响；而档导电辅料的质量分数低于2％时，使用该浆料制作的电池内阻变化速率变化大。
实施例5：
作为可选实施例方案的一种，所述溶剂的质量参数固含量为20％-60％。在浆料制备及商业售卖中发现，浆料固含量的多少对电池产品影响不大，但是由于溶剂有分散固体物质的功能，所以通过进行多种固含量试验对比，发现在同样的线速度条件下，固含量更少的浆液，其分散的均匀性较差，搅拌过程更长。
实施例6：
作为可选实施例方案的一种，所述主料为90-92质量份的铁酸钠，导电辅料为6-8质量份的石墨烯，粘接剂为3-6质量份的聚丙烯酰胺；
其中，溶剂为乙酸乙酯，固含量为40-45％。
实施例7：
根据上述任一的用于钠离子电池的负极浆料的应用，用于钠离子电池负极，
其中，正极主料为锰酸钠。
实施例6的负极浆料在实施例7的应用场景下，制备32140型号电池，经测试参数如下。
硅负极材料圆电池直径32mm，长度140mm，容量15Ah，重量280克，充电电压4.2∨，放电截止电压2.0∨，放电平均电压平台2.6V，3.0∨以上放电容量76％，内阻1.55毫欧。
可以看出，在该解决方案下，电池的能量密度提高、放电电压平台合理。3.0V以上放电容量76％，具有更强的电能输出能力，内阻仅为实施例2的测试样品内阻的44％，降低明显。更低的内阻提高了电池的应用场景，电池放电过程的自发热降低，电池的大电流放电安全性进一步提高。
实施例8：
如图1流程所示，提供一种用于钠离子电池的负极浆料制备工艺，具有如下步骤，
步骤S1，准备溶剂；
步骤S2，添加导电辅料至溶剂中并搅拌，形成第一中间剂；相比于主料与辅料预混合的方式，通过制备第一中间剂的方式使得导电辅料与溶剂的混合均匀性/一致性效果明显提升。并且在达到导电辅料需要的搅拌均匀性所需的一般搅拌时间最少可达0.5小时。
步骤S3，添加主料至第一中间剂中并搅拌，形成第二中间剂；在第一中间剂中添加主料进行搅拌，可确保第一中间剂混合状态下的一致性和稳定性效果。由于导电辅料属于材料组分中的少量料，设置在步骤2中直接与溶剂先混合均匀，是确保最终主料、导电辅料快速混合均匀的关键步骤之一。
步骤S4，添加粘接剂至第二中间剂中并搅拌，形成成品剂；粘接剂的加入会提高快速搅拌并混合均匀的难度，所以设置为步骤4，避免粘接剂的提前加入导致主料、导电辅料混合的一致性效果，和/或主料、导电辅料达到一致性搅拌所需的时间，并且该工艺时间可以成倍缩减，对工业化生产意义重大。
步骤S5，成品剂自然冷却至室温，完成所述负极浆料制备。
实施例9：
作为可选实施例方案的一种，所述步骤S2中，搅拌线速度为10-25m/s，搅拌时长为0.5-5小时。在具体测试中，申请人进行了以0.5小时作为时间间隔的多次试验，在实施例8的工艺不变的情况下，0.5-2小时的时间即可达到工业化电池一致性的生产要求，制备的浆料运输、存储性能良好。
实施例10：
作为可选实施例方案的一种，所述步骤S3中，搅拌线速度为10-30m/s，搅拌时长为0.5-10小时。在具体测试中，申请人进行了以0.5小时作为时间间隔的多次试验，在实施例8及实施例9的工艺不变的情况下，2.5-5.5小时的时间主料混合可达工业化生产标准，过长的时间效果提升与时间投入不成正比，效果提升率开始下降，过短的搅拌时间浆料静置时间过长会出现均一性下降，要求在短时间内使用则不影响使用效果。依据本实施例制备的浆料运输、存储性能良好。
实施例11：
作为可选实施例方案的一种，所述步骤S4中，搅拌线速度为10-25m/s，搅拌时长为0.5-6小时。在具体测试中，申请人进行了以0.5小时作为时间间隔的多次试验，其中1-3小时为优选方案。
如图2所示为根据本申请实施例的浆料制备的一电池进行短路测试后的外观结果：电池保护胶套性能完好，无明显过热问题，无爆炸、燃烧等危险情况发生。
如图3所示为根据本申请实施例的浆料制备的一电池进行挤压测试后的外观结果：可以看出在完成挤压测试的全部过程中，电池未出现爆炸或燃烧漏液、穿孔情况，电池挤压测试性能优秀。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。
在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
最后还应该说明的是，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 (11)
1.用于钠离子电池的负极浆料，其特征在于，
具有主料；
具有导电辅料；
具有粘接剂辅材；
具有溶剂；
其中，主料为活性炭、硬碳、铁酸钠、钛酸钠、硅碳负极和硅负极中的一种；
其中，导电辅料为炭黑、石墨烯、导电石墨和碳纳米管中的一种；
其中，粘接剂辅材为丁苯橡胶、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯和聚醋酸乙烯酯中的一种；
其中，溶剂为水、酒精和乙酸乙酯中的一种。
2.根据权利要求1所述的用于钠离子电池的负极浆料，其特征在于，
所述主料在非溶剂物质中的质量分数不低于80％。
3.根据权利要求1或2所述的用于钠离子电池的负极浆料，其特征在于，
所述导电辅料在非溶剂物质中的质量分数不高于10％。
4.根据权利要求2或3所述的所述的用于钠离子电池的负极浆料，其特征在于，
所述粘接剂在非溶剂物质中的质量分数不高于10％。
5.根据权利要求1-4之任一项权利要求所述的用于钠离子电池的负极浆料，其特征在于，
所述溶剂的质量参数固含量为20％-60％。
6.根据权利要求1-4之任一项权利要求所述的用于钠离子电池的负极浆料，其特征在于，
所述主料为90-92质量份的铁酸钠，导电辅料为6-8质量份的石墨烯，粘接剂为3-6质量份的聚丙烯酰胺；
其中，溶剂为乙酸乙酯，固含量为40-45％。
7.根据权利要求6所述的用于钠离子电池的负极浆料的应用，用于钠离子电池负极，其特征在于，
其中，正极主料为锰酸钠。
8.用于钠离子电池的负极浆料制备工艺，其特征在于，
步骤S1，准备溶剂；
步骤S2，添加导电辅料至溶剂中并搅拌，形成第一中间剂；
步骤S3，添加主料至第一中间剂中并搅拌，形成第二中间剂；
步骤S4，添加粘接剂至第二中间剂中并搅拌，形成成品剂；
步骤S5，成品剂自然冷却至室温，完成所述负极浆料制备。
9.根据权利要求8所述的用于钠离子电池的负极浆料制备工艺，其特征在于，
所述步骤S2中，搅拌线速度为10-25m/s，搅拌时长为0.5-5小时。
10.根据权利要求8或9所述的用于钠离子电池的负极浆料制备工艺，其特征在于，
所述步骤S3中，搅拌线速度为10-30m/s，搅拌时长为0.5-10小时。
11.根据权利要求8-10之任一项权利要求所述的用于钠离子电池的负极浆料制备工艺，其特征在于，
所述步骤S4中，搅拌线速度为10-25m/s，搅拌时长为0.5-6小时。
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