CN116259827A - 一种钠锰原电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钠锰原电池。为了提高以金属钠或者钠合金作为负极的钠电池的性能,本发明提供一种钠锰原电池,包括正极、负极、隔膜以及电解液,正极包括二氧化锰,负极为金属钠或钠合金,电解液包括有机溶剂、钠盐和添加剂,添加剂包括单氟磷酸钠、碳酸钠、己烷三腈、N‑(2,2‑二乙氧基乙基)‑N'‑甲基草酸二酰胺、三正丁胺、1,3‑丙烷磺内酯、邻苯二甲酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种。本发明通过添加剂、有机溶剂以及电解质钠盐之间的协同作用,拓宽了钠锰原电池的使用温度范围,提高了钠锰原电池的高温性能、低温性能以及大电流脉冲放电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种钠锰原电池。
背景技术
钠电池的研究始于1960年,高温钠硫电池首先被开发出来。该电池采用熔融的金属钠作为负极,熔融的单质硫作为正极,并采用具有钠离子电导率的固态电解质作为隔膜。但由于其存在巨大的安全隐患,近些年来有关钠电池的研究主要集中在降低电池的工作温度上。在70年代末期和80年代初期,对常规锂离子和钠离子插层型材料的研究工作开始引起全世界的关注。但是由于缺少合适的负极材料,钠离子电池的商业化并没有进入到实质阶段。钠资源储量丰富以及分布广泛,钠电池被认为是未来大规模、低成本储能系统的理想候选产品。
最近,由于其较高的理论比容量(1166mAhg-1)和较低的电极电势,科学人员的研究兴趣重新集中在钠金属负极的研究上。而随着电池应用范围的拓宽,对钠电池提出了更高的要求,不仅需要钠电池在常温下具有良好的性能,还需要钠电池低温、高温以及大电流条件下具有良好的性能。
基于此,开发先进的电解液或钠电池,使钠电池在宽温度范围内具有高充放电性能,同时具有大电流放电容量十分重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种高温性能、低温性能以及大电流脉冲放电性能均佳的钠锰原电池。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种钠锰原电池,所述钠锰原电池包括正极、负极、隔膜以及电解液,所述正极包括二氧化锰,所述负极为金属钠或钠合金,所述电解液包括有机溶剂、钠盐和添加剂,所述添加剂包括单氟磷酸钠、碳酸钠、己烷三腈、N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺、三正丁胺、1,3-丙烷磺内酯、邻苯二甲酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种。
优选地,所述添加剂在所述电解液中的质量百分含量为0.05~10%。
进一步优选地,所述添加剂在所述电解液中的质量百分含量为0.1~5%。
优选地,所述钠盐包括六氟磷酸钠、双(三氟甲基磺酰基)亚胺钠、三氟甲基磺酸钠、高氯酸钠、双氟磺酰亚胺钠、四氟硼酸钠中的一种或多种。
进一步优选地,所述钠盐在所述钠锰原电池电解液中的摩尔浓度为0.05~3mol/L。
更进一步优选地,所述钠盐在所述钠锰原电池电解液中的摩尔浓度为0.1~2mol/L。
优选地,所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、乙腈、环丁砜、丁酸甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、1,4-二氧六环、1,3-二氧六环、四氢呋喃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的一种或多种。
优选地,所述二氧化锰在所述正极中的质量百分含量为60~95%。
进一步优选地,所述二氧化锰在所述正极中的质量百分含量为80~93%。
优选地,所述正极还包括导电剂以及粘结剂。
根据一些优选的实施方式,所述导电剂包括导电石墨、导电炭黑、科琴黑、碳纳米管、纳米碳纤维(VGCF)中的一种或多种。
进一步优选地,所述导电剂在所述正极中的质量百分含量为0.05~20%。
更进一步优选地,所述导电剂在所述正极中的质量百分含量为1~10%。
根据一些优选的实施方式,所述粘结剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)和/或聚四氟乙烯(PTFE)。
进一步优选地,所述粘结剂在所述正极中的质量百分含量为0.2~20%。
更进一步优选地,所述粘结剂在所述正极中的质量百分含量为5~15%。
优选地,所述钠合金包括钠以及锌、镁、钙、硅、钾、锡、铝、铁中的至少一种元素。
优选地,所述隔膜包括无纺布、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)中的任一种。
优选地,所述钠锰原电池的形状包括纽扣式、圆柱、方形、软包式中的任一种。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明中的钠锰原电池通过添加剂、有机溶剂以及电解质钠盐之间的协同作用,拓宽了钠锰原电池的使用温度范围,提高了钠锰原电池的高温性能、低温性能以及大电流脉冲放电性能。
具体实施方式
一种钠锰原电池,其包含正极、负极、隔膜和电解液。
本申请中,电解液包括有机溶剂、钠盐和添加剂。
添加剂包括单氟磷酸钠、碳酸钠、己烷三腈、N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺、三正丁胺、1,3-丙烷磺内酯、邻苯二甲酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种。添加剂的加入,不仅利于SEI膜的形成,还能降低电池的阻抗、提高电导率以及提高电池的稳定性。作为优选,添加剂至少包括上述添加剂中的至少两种。进一步地,添加剂在电解液中的质量百分含量为0.1~5%,例如:0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.3%、5%等。
有机溶剂包括包括但不限于碳酸乙烯酯、乙腈、环丁砜、丁酸甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、1,4-二氧六环、1,3-二氧六环、四氢呋喃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的一种或多种。作为优选,有机溶剂至少包括两种以上,当有机溶剂包括两种以上时,两种有机溶剂可以任意比比进行复配。进一步地,有机溶剂至少包括酯类溶剂和醚类溶剂,酯类溶剂包括碳酸乙烯酯、丁酸甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的一种或者多种;醚类溶剂包括乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、1,4-二氧六环、1,3-二氧六环、四氢呋喃中的一种或者多种。例如:有机溶剂至少包括碳酸丙烯酯和乙二醇二甲醚,或者有机溶剂至少包括碳酸丙烯酯和二乙二醇二甲醚。
钠盐包括但不限于六氟磷酸钠、双(三氟甲基磺酰基)亚胺钠、三氟甲基磺酸钠、高氯酸钠、双氟磺酰亚胺钠、四氟硼酸钠中的一种或多种。钠盐在电解液中的摩尔浓度为0.05~3mol/L,作为优选,钠盐在电解液中的摩尔浓度为0.1~2mol/L,例如,0.1、0.3、0.5mol/L、0.6mol/L、0.7mol/L、0.8mol/L、0.9mol/L、1mol/L、1.1mol/L、1.2mol/L、1.3mol/L、1.4mol/L、1.5mol/L、1.6mol/L、1.7mol/L、1.8mol/L、1.9mol/L、2mol/L。
本申请中,正极包括二氧化锰、导电剂以及粘结剂。其中,二氧化锰在正极中的质量百分比含量为60~95%,作为优选,二氧化锰在正极中的质量百分比含量为80~93%,例如:80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%。导电剂包括但不限于导电石墨、导电炭黑、科琴黑、碳纳米管、纳米碳纤维(VGCF)中的一种或多种。粘结剂包括但不限于聚偏氟乙烯(PVDF)和/或聚四氟乙烯(PTFE)。在一些优选的实施方式中,正极片可以直接由二氧化锰、导电剂以及粘结剂制成。当然,也可以将二氧化锰、导电剂以及粘结剂混合后涂覆在集流体上制备正极片。集流体包括但不限于铝箔。本申请制备正极的材料价格低廉,而且容易得到。
本申请中,负极为金属钠或钠合金,钠合金包括钠和锌、镁、钙、硅、钾、锡、铝、铁中的至少一种元素。隔膜可以为单层微孔膜或者多层复合微孔膜或者涂布膜,作为优选的示例,隔膜可以为无纺布、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整,未注明的实施条件为本行业中的常规条件。本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下实施例中电池使用钠锰扣式CR2032原电池和锂钠锰圆柱CR123A型电池。
实施例1
正极片:83%二氧化锰/7%导电炭黑/10%PVDF,负极为金属钠片,隔膜为无纺布隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚质量比1:1:1,电解质盐为三氟甲基磺酸钠,浓度为1.1mol/L;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例2
正极片:85%二氧化锰/5%导电石墨/10%PTFE,负极为金属钠片,隔膜为无纺布隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚(三者的质量比为8:35:57);电解质钠盐为0.8mol/L高氯酸钠,添加剂为0.5%氟代碳酸乙烯酯;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例3
正极片:90%二氧化锰/2%碳纳米管/8%PVDF,负极为金属钠片,隔膜为PP/PE/PP复合隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、二乙二醇二甲醚、环丁砜(四者的质量比为8:30:47:15);电解质钠盐为0.5mol/L双氟磺酰亚胺钠和0.1mol/L的高氯酸钠,添加剂为1%的1,3-丙烷磺内酯,0.1%碳酸钠、3%己烷三腈;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例4
正极片:90%二氧化锰/3%VCGF/7%PVDF,负极为金属钠片,隔膜为PP/PE/PP复合隔膜,电解液组分:有机溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、二乙二醇二甲醚、丁酸甲酯(四者的质量比为8:45:37:10);电解质钠盐为0.8mol/L六氟磷酸钠,添加剂为1%1,3-丙烷磺内酯,1%N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例5
正极片:91.5%二氧化锰/1.5%碳纳米管/7%PVDF,负极为金属钠片,隔膜为PP隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、环丁砜(四者的质量比为25:35:25:15);电解质钠盐为0.6mol/L高氯酸钠,0.2mol/L双(三氟甲基磺酰基)亚胺钠,添加剂为1.5%的1,3丙烷磺内酯,1%的三正丁胺,1%的氟代碳酸乙烯酯,0.5%的单氟磷酸钠,0.3%的N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例6
正极片:88%二氧化锰/6%科琴黑/6%PTFE,负极为金属钠片,隔膜为无纺布隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、环丁砜(五者的质量比为5:25:30:25:15);电解质钠盐为0.5mol/L双(三氟甲基磺酰基)亚胺钠、0.3mol/L的双氟磺酰亚胺钠;添加剂为0.5%的邻苯二甲酸酐,1.3%的N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例7
正极片:85%二氧化锰/6%导电炭黑/9%PTFE,负极为金属钠片,隔膜为无纺布隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环(四者的质量比为10:20:35:35);电解质钠盐为0.5mol/L的双氟磺酰亚胺钠、0.1mol/L四氟硼酸钠;添加剂为0.5%的1,3丙烷磺内酯,0.5%的三正丁胺,0.2%的单氟磷酸钠,1%的邻苯二甲酸酐;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例8
正极片:85%二氧化锰/6%导电炭黑/9%PTFE,负极为金属钠片,隔膜为无纺布隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、丁酸甲酯(四者的质量比为10:20:35:35);电解质钠盐为0.8mol/L的三氟甲基磺酸钠、0.1mol/L的高氯酸钠、0.1mol/L四氟硼酸钠;添加剂为1%的1,3丙烷磺内酯,1%的己烷三腈、0.2%的N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺,1%的氟代碳酸乙烯酯;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例9
正极片:85%二氧化锰/6%导电炭黑/9%PTFE,负极为金属钠片,隔膜为无纺布隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚(三者的质量比为10:30:60);电解质锂盐为1.2mol/L的高氯酸钠、0.1mol/L的六氟磷酸钠、0.1mol/L四氟硼酸钠;添加剂为1.3%的1,3丙烷磺内酯,1%的单氟磷酸钠、0.5%的N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实施例10
正极片:88%二氧化锰/6%导电石墨/6%PVDF,负极为金属钠片,隔膜为PP/PE/PP复合隔膜,电解液组分:有机溶剂为碳酸乙烯酯,碳酸丙烯酯、乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、环丁砜(五者的质量比为5:20:30:40:5);电解质钠盐为0.3mol/L的双(三氟甲基磺酰基)亚胺钠、0.3mol/L的高氯酸钠;添加剂为1.3%的1,3丙烷磺内酯,0.2%的碳酸钠,1%的氟代碳酸乙烯酯;以上材料组装成钠锰扣式CR2032原电池及CR123A圆柱电池。
实验结果
恒阻放电、高温搁置后放电、大电流放电、低温放电;
采用深圳新威电池测试仪测试电池的放电性能。
将10个实施例按照配方配制成电解液,注入扣电CR2032型号和圆柱型CR123A型钠锰原电池中,分别进行常温恒阻放电、60度高温搁置20天后放电、大电流脉冲放电、低温放电。所有实施例测试结果见表1。
常温恒阻放电:常温条件下,电阻1KΩ,恒阻放电至截止电压2.0V;
60度搁置放电:60℃烘箱内搁置20天,取出常温以1000mA电流恒流放电至2.0V;
大电流脉冲放电:常温条件下,以3A恒流放电3s,搁置27s,循环直至电压到1.8v停止;
低温放电:负20度储存16h之后再恒流50mA放电至截止电压2.0V。
表1
由表1中各实施例数据对比表明,在扣式CR2032钠锰原电池的常温放电容量差别不大,说明在小电流下,各配方均能释放一定容量,对电导率要求不高;而在高温存储后放电、大电流脉冲放电及低温放电测试显示,随着电解质盐的优化组合及各种成膜添加剂和功能添加剂的添加形成钝化膜,阻止了其他腐蚀性物质对柱式电池中正极极片集流体铝箔的腐蚀,各组分在柱式CR123A脉冲放电、高温存储后放电及低温放电性能有明显差异。
单氟磷酸钠、碳酸钠的微量加入,参与了构筑钠片表面的固态电解质膜,提高了SEI膜的机械强度,提高了电池的稳定性;己烷三腈、N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺、三正丁胺也参与SEI膜的形成,且形成的SEI膜具有低阻抗和高电导率的特点,对提高电池大电流放电能力有明显效果;邻苯二甲酸酐、1,3丙烷磺内酯参与正极表面界面膜的形成,对电池高温性能放电容量也有积极影响;氟代碳酸乙烯酯参与形成的SEI膜在低温下有较高电导率,可提升低温性能。通过测试结果可以直观的发现,采用本发明中电解液配方,提高了钠锰电池的高温性能、低温性能以及大电流脉冲放电性能,为钠锰电池的应用场景拓展了更大的范围。
以上对本发明做了详尽的描述,其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施,并不能以此限制本发明的保护范围,凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种钠锰原电池,其特征在于:所述钠锰原电池包括正极、负极、隔膜以及电解液,所述正极包括二氧化锰,所述负极为金属钠或钠合金,所述电解液包括有机溶剂、钠盐和添加剂,所述添加剂包括单氟磷酸钠、碳酸钠、己烷三腈、N-(2,2-二乙氧基乙基)-N'-甲基草酸二酰胺、三正丁胺、1,3-丙烷磺内酯、邻苯二甲酸酐、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的钠锰原电池,其特征在于:所述添加剂在所述电解液中的质量百分含量为0.05~10%。
3.根据权利要求2所述的钠锰原电池,其特征在于:所述添加剂在所述电解液中的质量百分含量为0.1~5%。
4.根据权利要求1所述的钠锰原电池,其特征在于:所述钠盐包括六氟磷酸钠、双(三氟甲基磺酰基)亚胺钠、三氟甲基磺酸钠、高氯酸钠、双氟磺酰亚胺钠、四氟硼酸钠中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的钠锰原电池,其特征在于:所述钠盐在所述钠锰原电池电解液中的摩尔浓度为0.05~3mol/L。
6.根据权利要求1所述的钠锰原电池,其特征在于:所述有机溶剂包括碳酸乙烯酯、乙腈、环丁砜、丁酸甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1 ,3-二氧戊环、1 ,4-二氧六环、1 ,3-二氧六环、四氢呋喃、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的钠锰原电池,其特征在于:所述二氧化锰在所述正极中的质量百分含量为60~95%;
和/或,所述正极还包括导电剂以及粘结剂,所述导电剂包括导电石墨、导电炭黑、科琴黑、碳纳米管、纳米碳纤维中的一种或多种,所述导电剂在所述正极中的质量百分含量为0.05~20%,所述粘结剂包括聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯,所述粘结剂在所述正极中的质量百分含量为0.2~20%。
8.根据权利要求1所述的钠锰原电池,其特征在于:所述钠合金包括钠以及锌、镁、钙、硅、钾、锡、铝、铁中的至少一种元素;
和/或,所述隔膜包括无纺布、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯中的任一种。
9.根据权利要求1所述的钠锰原电池,其特征在于:所述钠锰原电池的形状包括纽扣式、圆柱、方形、软包式中的任一种。
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