CN114927649A - 一种环境兼容的金属钠负极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种环境兼容的金属钠负极的制备方法，该方法的步骤是：将固态烷烃溶解于有机溶剂中，所述有机溶剂能够溶解相应的固态烷烃，获得固态烷烃有机溶液；向固态烷烃有机溶液中加入PEO以及钠盐，搅拌均匀后获得混合溶液；所述钠盐能够溶解在所述有机溶剂中，并能使得阳离子和阴离子发生解离；将金属钠浸泡于所述混合溶液中，一段时间后取出；将所取出的金属钠在惰性气氛下挥发金属钠上的有机溶剂，有机溶剂挥发后，能够在金属钠表面形成一层固态保护层，得到环境兼容的金属钠负极。提高了钠金属负极对潮湿空气的稳定性，减少了钠金属电池与环境之间的副反应以及组装过程中对环境的依赖，降低了钠金属电池的制备成本。

Description

一种环境兼容的金属钠负极的制备方法
技术领域
本发明涉及以金属钠为负极的钠金属电池技术领域，具体涉及一种环境兼容的金属钠负极的制备方法。
背景技术
在1991年索尼将锂离子电池商业化后不久，石墨就以其具有低成本和超长电池寿命的优势，成为了传统锂离子电池的首选负极材料。但是，石墨负极的理论比容量为372mAh/g，而其实际充放电时的容量远远低于372mAh/g，这导致使用石墨负极的电池难以实现高的能量密度，无法满足下一代电池(>400Wh/kg)的能量密度要求(M.Armand,J.M.Tarascon,Nature,2008,451,652)。金属锂的理论容量(3860mAh/g)比石墨高近10倍，并且具有较低的电化学电位(相对于标准氢电极为-3.040V)和密度(0.534g/cm3)。用锂金属负极代替传统的石墨负极，有望极大地提高电池的能量密度，满足越来越高的能量密度要求(D.C.Lin,Y.Y.Liu,Y.Cui,Nat.Nanotechnol.,2017,12,194)。但是锂资源短缺，且全球分布不均，相比较来说，金属钠元素和金属锂一样属于碱金属元素，具备较低的电位以及较高的比能量，且其含量比金属锂丰富得多，为此金属钠负极是一种极具潜力的负极材料。
尽管金属钠在能量密度方面具备显著的优势，但现阶段很难实现金属钠电池的商业化。究其原因，金属钠作为一种活泼金属，具有很高的反应活性，易与空气环境中的气体、水分等物质反应，在金属钠表面生成钝化层，钝化层的存在使得金属钠的化学性质改变，用于组装全电池的能量密度偏低，更严重时，金属钠在高湿度环境下的剧烈反应还会导致起火爆炸等重大安全问题(Robert Usiskin,et al.Nat.Rev.Mater.2021,6,1020)。以上问题导致了金属钠电极必须封存在煤油中，且组装电池时必须在惰性气氛保护下的手套性内或者干燥间中进行，这就直接增加了钠金属电池的组装难度，操作十分不便利且成本高昂。
为了解决上述问题，制备得到空气环境兼容的钠金属负极是关键。本发明提出一种环境兼容的钠金属负极制备方法，解决钠金属电池在组装当中的工艺和成本难题。该方法将石蜡/聚环氧乙烷(PEO)/钠盐的混合物覆盖于钠金属表面，得到环境兼容的钠金属负极。将该负极暴露于相对湿度大于45％的空气中，钠金属对潮湿空气的稳定性明显提升。
发明内容
本发明的目的是，提供一种环境兼容的金属钠负极的制备方法。提高了钠金属负极对潮湿空气的稳定性，减少了钠金属电池与环境之间的副反应以及组装过程中对环境的依赖，降低了钠金属电池的制备成本。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种环境兼容的金属钠负极的制备方法，该方法的步骤是：
1)将固态烷烃溶解于有机溶剂中，所述有机溶剂能够溶解相应的固态烷烃，获得固态烷烃有机溶液；
2)向步骤1)的固态烷烃有机溶液中加入PEO以及钠盐，搅拌均匀后获得混合溶液；所述钠盐能够溶解在所述有机溶剂中，并能使得阳离子和阴离子发生解离；
3)将金属钠浸泡于步骤2)的混合溶液中，一段时间后取出，使得金属钠表面能够形成一层保护膜；
将步骤3)取出的金属钠在惰性气氛下挥发金属钠上的有机溶剂，有机溶剂挥发后，能够在金属钠表面形成一层固态保护层，得到环境兼容的金属钠负极。
所述有机溶剂为乙醚、氯仿、汽油、苯、甲苯、四氢呋喃、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、丙酮等中的至少一种；所述固态烷烃能够成膜；优选固态烷烃为固态长链烷烃，固态长链烷烃为碳原子数为10以上的正烷烃、石蜡。
所述固态烷烃有机溶液为石蜡有机溶液，石蜡的浓度是5mg/mL～100mg/mL；所述的PEO相对分子质量为200～20000，钠盐为NaPF6、NaFSI、NaTFSI或NaClO4中的至少一种。
所述的PEO与钠盐的摩尔比介于25～50之间，PEO/NaPF6的混合物的质量范围为2-10g。
所述浸泡时间为10-30s；所述步骤4)中有机溶剂挥发在室温下挥发或通过加热的方式挥发，所述的惰性气氛为氩气氛围，水含量低于0.1ppm，氧含量低于0.1ppm。
上述制备获得的环境兼容的钠金属负极，能直接暴露于潮湿空气中，能够在相对湿度大于45％的潮湿空气中保持稳定，同时在潮湿空气中暴露后的钠片，还能用于组装对称电池与全电池，性能表现良好。
本发明还保护一种环境兼容的钠金属负极，该负极采用上述的制备方法获得。
所述一种环境兼容的钠金属负极，包括金属钠和包覆在金属钠外表面的固态保护层，所述固态保护层为PEO、石蜡和钠盐的混合物。
本发明的有益效果是：
本发明在金属钠电极表面构筑保护层，实现了钠电极在空气环境下的稳定存在以及无需手套箱及干燥间等空气环境下进行电池组装，本发明获得的金属钠电极在电池组装中也能具有较好的稳定性和电性能。
本发明中加入了PEO，考虑金属钠电极与空气环境的稳定性，可以用于稳定空氛围下的金属钠电极，PEO对钠盐有解离作用，使得金属钠表面所生成的保护层能传导Na+，使其在进行电池组装时能进行电化学过程中的钠离子传输。
本申请的不需要手套箱的气氛保护，在正常空气环境下直接使用保护处理的金属钠电极，对于改变金属钠的使用方式以及提升安全性等具有重要意义。避免了现有技术中由于没有对钠电极进行处理或者修饰，金属钠仍旧会和环境气氛反应，且何种电池的组装仍需在手套性内进行的弊端。
附图说明
图1为实施例1制备的环境兼容的金属钠负极的扫描电镜图。
图2为实施例1制备的环境兼容金属钠负极用潮湿空气处理后的对称电池性能测试图。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
本发明一种环境兼容的金属钠负极的制备方法，该方法的步骤是：
4)将固态烷烃溶解于有机溶剂中，所述有机溶剂能够溶解相应的固态烷烃，获得固态烷烃有机溶液；所述固态烷烃能够成膜，不含有极性基团，在空气和水条件下比较稳定；优选固态烷烃为固态长链烷烃，碳原子数为10以上的正烷烃、石蜡等。
5)向步骤1)的固态烷烃有机溶液中加入PEO(聚氧化乙烯)以及钠盐，搅拌均匀后获得混合溶液；所述钠盐能够溶解在所述有机溶剂中，并能使得阳离子和阴离子发生解离；所述有机溶剂中固态烷烃的加入量能够使得PEO以及钠盐在其中均匀分布。
6)将金属钠浸泡于步骤2)的混合溶液中，一段时间后取出，使得金属钠表面能够形成一层保护膜。
7)将步骤3)取出的金属钠在惰性气氛下挥发金属钠上的有机溶剂，得到环境兼容的金属钠负极。有机溶剂挥发后，能够在金属钠表面形成一层固态保护层，有保护层的金属钠可以在正常有空气和水的环境中进行存放。
所述有机溶剂为乙醚、氯仿、汽油、苯、甲苯、四氢呋喃、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、丙酮等中的至少一种，固态烷烃为石蜡，石蜡可以溶解在乙醚、氯仿、汽油、苯、甲苯中的一种或者多种的组合中，有机溶剂具体种类选择可以与所选择的固态烷烃的具体种类的性质有关，保证固态烷烃能够在所选择的有机溶剂中能够溶解即可。
进一步，所述固态烷烃有机溶液为石蜡有机溶液，石蜡的浓度可以是5mg/mL～100mg/mL。
进一步，所述的PEO相对分子质量200～20000，钠盐可以是NaPF6，NaFSI,NaTFSI,NaClO4等中的一种或者几种的组合。
所述的PEO与钠盐的摩尔比可以介于25～50之间，石蜡的加入量使得在金属钠表面成膜后，在金属钠的膜层内能够均匀分布PEO与钠盐，不会存在有的区域钠盐多，有的区域钠盐少的情况。PEO/NaPF6的混合物的质量范围优选为2-10g。
进一步地，所述浸泡时间为10-30s，时间也可以更长。
进一步，步骤4)中有机溶剂挥发可以在室温下挥发有机溶剂，也可通过加热的方式挥发有机溶剂。
进一步，所述的惰性气氛一般指氩气氛围；水含量低于0.1ppm，氧含量低于0.1ppm。
进一步，上述制备获得的环境兼容的钠金属负极，可直接暴露于潮湿空气中，能够在相对湿度大于45％的潮湿空气中保持稳定，同时在潮湿空气中暴露后的钠片，还可用于组装对称电池与全电池，性能表现良好。
进一步，将所述环境兼容的钠金属负极暴露于潮湿的空气中，观察其对空气的稳定性；并将暴露于潮湿空气后的环境兼容的钠金属负极组装电池，测试暴露后金属钠电化学性能的变化。本发明利用所述制备方法在金属钠的表面修饰石蜡/PEO/钠盐复合保护层，得到环境兼容的钠金属负极。将该负极暴露于相对湿度为大于45％的空气中，钠金属对潮湿空气的稳定性明显提升，即使用在空气中暴露后的钠金属作为负极，电池的性能也未受到影响，表现出修饰后的金属钠对潮湿空气明显提升的稳定性。
本发明环境兼容的钠金属负极的保护机理是：选择不亲水的固态烷烃有机溶液为基础进行混合，此时在空气条件下PEO上的极性基团不会与水发生反应，PEO和钠盐均能溶解在该有机溶剂中，PEO和钠盐充分混合，使得钠盐解离，在固态烷烃成膜固化后，钠盐和PEO能均匀分布在保护层中，PEO能在保护层中使得Na+导通，又能在组装成电池时在电池内部的电解液中对钠起作用，避免电解液发生反应，很好的导通钠离子，保护层不会对电池的电化学性能产生不良影响。
实施例1
本实施例一种环境兼容的金属钠负极的制备方法，该方法的具体步骤是：
1)将石蜡溶解于苯中，得到浓度为25mg/mL的石蜡的苯溶液。
2)将2g PEO/NaPF6的混合物加入到上述石蜡的苯溶液并加热搅拌促进其溶解，搅拌均匀后获得混合溶液，其中PEO/NaPF6的混合物中二者的摩尔比为25:1。
3)将金属钠片浸泡于步骤2)混合溶液中10-15s，将金属钠片取出。
4)在惰性气氛下挥发金属钠片上的有机溶剂，得到环境兼容的金属钠负极。
将环境兼容的金属钠负极放置在相对湿度为45％的潮湿空气中，测试其对空气的稳定性。
如图1所示，为本实施例1制备方法获得的环境兼容的金属钠负极的扫描电镜图，图中a为环境兼容的金属钠负极在空气中放置仍能够保持稳定，显示出光亮的金属光泽；图b为其断面图，可以看出环境兼容的金属钠负极表面修饰层(保护层)的厚度在5μm以下。
此外，用在潮湿空气中暴露1h的本实施例制备获得的环境兼容的金属钠片(Modified Na)组装对称电池，在1mA/cm2-1 mAh/cm2的条件下进行测试。测试结果如图2所示，从图中可以看到，使用本实施例的金属钠片制作的电池过电位小而平稳，能够稳定循环500h；而利用在潮湿空气中暴露1h后的没有保护处理的金属钠电极组装电池，其电池过电位远远高于本实施例制备获得的环境兼容的金属钠负极，在电池运行不到100h时即失效。
实施例2-6
本实施例一种环境兼容的金属钠负极的制备方法各步骤同实施例1，不同之处在于，石蜡的苯溶液中石蜡的浓度分别为5mg/mL、10mg/mL、50mg/mL、80mg/mL、100mg/mL，
将获得的环境兼容的金属钠负极放置在相对湿度为45％的潮湿空气中，测试其对空气的稳定性。上述条件获得的金属钠负极，相对于没有保护层的金属钠来说，其空气环境下的稳定性均显著提高。石蜡浓度太低，导致保护层的厚度太薄，对于空气环境下的气体和水分的隔绝效果不佳；石蜡浓度太高，导致保护层太厚，使得电池循环过程中的内阻增大，电池性能受影响。
实施例7-9
本实施例一种环境兼容的金属钠负极的制备方法各步骤同实施例1，不同之处在于，本实施例中PEO/NaPF6的混合物中二者的摩尔比为50:1、30:1、40:1。改变钠盐与PEO的比例可以调控修饰层对于Na+的传输效果，主要是影响钠离子的离子电导率。
实施例10-12
本实施例一种环境兼容的金属钠负极的制备方法各步骤同实施例1，不同之处在于，本实施例中PEO/NaPF6的混合物的质量为4g、6g、10g。
当PEO/NaPF6的混合物的质量为4g时，将环境兼容的金属钠负极能在相对湿度为60％的潮湿空气中保持稳定。
实施例13
本实施例一种环境兼容的金属钠负极的制备方法各步骤同实施例1，不同之处在于，本实施例的固态烷烃为C40长直链烷烃。
本发明通过将固态烷烃/PEO/钠盐复合保护层覆盖在钠金属表面，通过调控固态烷烃、PEO及钠盐的用量，可以得到修饰层厚度可控且均匀的环境兼容钠金属负极。该负极具有优异的环境兼容性。经测试，相较于纯金属钠而言，该环境兼容钠负极对潮湿空气的稳定性有明显的提升。即使在相对湿度位40％以上的潮湿空气暴露后，该负极用于组装对称电池与全电池，电池性能也没有损失。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种环境兼容的金属钠负极的制备方法，该方法的步骤是：
1)将固态烷烃溶解于有机溶剂中，所述有机溶剂能够溶解相应的固态烷烃，获得固态烷烃有机溶液；
2)向步骤1)的固态烷烃有机溶液中加入PEO以及钠盐，搅拌均匀后获得混合溶液；所述钠盐能够溶解在所述有机溶剂中，并能使得阳离子和阴离子发生解离；
3)将金属钠浸泡于步骤2)的混合溶液中，一段时间后取出，使得金属钠表面能够形成一层保护膜；
4)将步骤3)取出的金属钠在惰性气氛下挥发金属钠上的有机溶剂，有机溶剂挥发后，能够在金属钠表面形成一层固态保护层，得到环境兼容的金属钠负极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醚、氯仿、汽油、苯、甲苯、四氢呋喃、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、丙酮等中的至少一种；所述固态烷烃能够成膜；优选固态烷烃为固态长链烷烃，固态长链烷烃为碳原子数为10以上的正烷烃、石蜡。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固态烷烃有机溶液为石蜡有机溶液，石蜡的浓度是5mg/mL～100mg/mL；所述的PEO相对分子质量为200～20000，钠盐为NaPF6、NaFSI、NaTFSI或NaClO4中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的PEO与钠盐的摩尔比介于25～50之间，PEO/NaPF6的混合物的质量范围为2-10g。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸泡时间为10-30s；所述步骤4)中有机溶剂挥发在室温下挥发或通过加热的方式挥发，所述的惰性气氛为氩气氛围，水含量低于0.1ppm，氧含量低于0.1ppm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述制备获得的环境兼容的钠金属负极，能直接暴露于潮湿空气中，能够在相对湿度大于45％的潮湿空气中保持稳定，同时在潮湿空气中暴露后的钠片，还能用于组装对称电池与全电池，性能表现良好。
7.一种环境兼容的钠金属负极，其特征在于，该负极采用权利要求1-6任一所述的制备方法获得。
8.一种环境兼容的钠金属负极，其特征在于，包括金属钠和包覆在金属钠外表面的固态保护层，所述固态保护层为PEO、石蜡和钠盐的混合物。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述环境兼容的钠金属负极的保护机理是：选择不亲水的固态烷烃有机溶液为基础进行混合，PEO和钠盐均能溶解在该有机溶剂中，PEO和钠盐充分混合，使得钠盐解离，在固态烷烃成膜固化后，钠盐和PEO能均匀分布在保护层中，PEO能在保护层中使得Na+导通，又能在组装成电池时在电池内部的电解液中对钠起保护作用，很好的导通Na+，保护层不会对电池的电化学性能产生不良影响。
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