发明内容
本申请的一个主要目的在于提供一种能够实现活性钠均匀补充的正极片、补钠颗粒分布均匀的确定方法及储能装置。
为实现上述申请目的,本申请采用如下技术方案:
根据本申请的一个方面,提供一种正极片,包括:集流体,以及位于所述集流体表面的涂层;
所述涂层包括颗粒状的第一含钠化合物和第二含钠化合物,所述第一含钠化合物为正极活性材料,所述第二含钠化合物为单金属或多金属含钠化合物,且所述第二含钠化合物的钠元素含量大于所述第一含钠化合物的钠元素含量;
所述涂层的观测区域内,所述第二含钠化合物的颗粒数大于或等于2且小于或等于5,且所述第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离大于或等于10微米且小于或等于60微米,所述第二含钠化合物的颗粒间距的标准差小于或等于45微米,所述观测区域的面积大于或等于6500平方微米,且小于或等于7000平方微米。
发明人经过大量研究发现,当正极片包括作为正极活性材料的第一含钠化合物以及作为补钠材料的第二含钠化合物时,观测区域内第二含钠化合物的颗粒数,以及颗粒间距的平均距离和标准差,均会对具有上述正极片的储能装置的补钠效果和析钠情况产生影响。
发明人发现,通过扫描电子显微镜在1K放大倍数下观测涂层时,当涂层上的观测区域内的第二含钠化合物的颗粒数小于2时,具有该正极片的储能装置在使用过程中,容易因观测区域内补钠颗粒(第二含钠化合物的颗粒)较少,导致钠元素含量较小而影响补钠效果;当涂层上的观测区域内的第二含钠化合物的颗粒数大于5时,具有该正极片的储能装置在使用过程中,容易因观测区域内补钠颗粒(第二含钠化合物的颗粒)较多导致钠元素含量较大而造成析钠现象。
发明人还发现,通过扫描电子显微镜在1K放大倍数下观测涂层时,当涂层上的观测区域内的第二含钠化合物的颗粒之间的平均距离小于10微米,且第二含钠化合物的颗粒间距的标准差大于45微米时,具有该正极片的储能装置在使用过程中,容易因观测区域内补钠颗粒(第二含钠化合物的颗粒)分布较为集中,导致钠元素含量较多而造成析钠现象;当涂层上的观测区域内的第二含钠化合物的颗粒之间的平均距离大于60微米,且第二含钠化合物的颗粒间距的标准差大于45微米时,具有该正极片的储能装置在使用过程中,容易因观测区域内补钠颗粒(第二含钠化合物的颗粒)分布较疏松,导致钠元素含量较少而影响补钠效果。
针对上述情况,发明人认为,对于涂层所包括的第二含钠化合物,需要限定观测区域内第二含钠化合物的颗粒数大于或等于2且小于或等于5,以及第二含钠化合物的颗粒之间的平均距离大于或等于10微米且小于或等于60微米,且第二含钠化合物的颗粒间距的标准差大于45微米。如此,通过加入的第二含钠化合物实现活性钠的补充;且通过限定观测区域内第二含钠化合物的颗粒数和颗粒之间的平均距离,以保证涂层中第二含钠化合物分布的均匀性,保证补钠效果的同时避免出现析钠现象。
根据本申请的一实施方式,其中,所述第二含钠化合物的颗粒的中值粒径大于所述第一含钠化合物的颗粒的中值粒径。
本申请实施方式中,通过设置第一含钠化合物的颗粒的中值粒径与第二含钠化合物的颗粒的中值粒径之间的大小区别,便于通过颗粒大小实现对观测区域内第一含钠化合物的颗粒和第二含钠化合物的颗粒的区分。
根据本申请的一实施方式,其中,所述第二含钠化合物的颗粒的中值粒径大于或等于10微米,且小于或等于20微米。
本申请实施方式中,通过限定第二含钠化合物的颗粒的最小中值粒径,便于实现对观测区域内第一含钠化合物的颗粒和第二含钠化合物的颗粒的区分;另外,通过限定第二含钠化合物的颗粒的最大中值粒径,避免在制作正极浆料时,因第二含钠化合物的颗粒较大,导致涂层中第二含钠化合物的颗粒间距较大,且避免因第二含钠化合物的颗粒较大造成钠元素含量较为集中的情况,如此,对于具有该正极片的储能装置,在实现补钠的同时,避免出现析钠的现象。
根据本申请的一实施方式,其中,所述第二含钠化合物包括标记元素,所述观测区域内,所述第二含钠化合物的标记元素的正投影面积与所述观测区域的面积的比值小于或等于0.2。
本申请实施方式中,通过限定观测区域内标记元素的正投影与观测区域的面积的比值,以保证能够确定第二含钠化合物的颗粒的位置,同时设置较少的标记元素的含量,从而能够有效保证第二含钠化合物中活性钠的含量,提高补钠效果。
根据本申请的一实施方式,其中,所述第二含钠化合物的颗粒之间的间距是指所述第二含钠化合物的颗粒的正投影的最小外接圆的圆心之间的距离。
根据本申请的一实施方式,其中,所述第二含钠化合物的颗粒之间的间距是指所述第二含钠化合物的颗粒的正投影的最大内接圆的圆心之间的距离。
根据本申请的一实施方式,其中,所述观测区域为矩形,且所述观测区域的长边为100微米,宽边为67.2微米。
根据本申请的一实施方式,其中,所述第二含钠化合物的分子式为:NaxMyNzTw,其中x的范围为0.5~5,y,z的范围为0~3,w的范围为0~3,且y、z、w中的至少一者不为0,M、N均为元素Zn、Ni、Co、Cu、Mo、Fe、Mn、Cr、V、Al中的一种,T为元素O、N、F、S、Cl中的一种。
根据本申请的一实施方式,其中,所述第二含钠化合物为Na2NiO2、Na5FeO4、NaCrO2中的至少一种。
根据本申请的一方面,提供了一种补钠颗粒分布均匀的确定方法,所述方法包括:
步骤一:提供正极片,所述正极片包括涂层,且所述涂层中包括颗粒状的第一含钠化合物和第二含钠化合物,所述第一含钠化合物为正极活性材料,所述第二含钠化合物为非金属的补钠材料;
步骤二:调整扫描电子显微镜至1K放大倍数、加速电压为5kV,并采用所述扫描电子显微镜观测所述正极片,得到观测区域内的电镜图,所述观测区域包括所述第二含钠化合物的完整颗粒,且所述观测区域的面积大于或等于6500平方微米,且小于或等于7000平方微米;
步骤三:在所述电镜图中确定第二含钠化合物的颗粒数,以及第二含钠化合物的多个颗粒间距;
步骤四:根据第二含钠化合物的多个颗粒间距,确定第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离和标准差;
步骤五:当所述电镜图中第二含钠化合物的颗粒数大于或等于2且小于或等于5,第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离大于或等于10微米且小于或等于60微米,且颗粒间距的标准差小于或等于45微米时,确定所述正极片的涂层中补钠颗粒均匀分布。
本申请实施方式中,通过扫描电子显微镜确定正极片的涂层上观测区域的电镜图,进而根据电镜图确定观测区域内第二含钠化合物的颗粒数,以及第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离和标准差,以确定第二含钠化合物的颗粒在涂层中是否均匀分布,进而确定第二含钠化合物对正极片的补钠效果,同时避免正极片的局部区域出现析钠的情况。
根据本申请的一实施方式,其中,所述步骤三中,在所述电镜图中确定第二含钠化合物的颗粒之间的多个间距,包括:
确定第二含钠化合物的颗粒的最小外接圆的圆心之间的多个间距,或者确定第二含钠化合物的颗粒的最大内接圆的圆心之间的多个间距。
根据本申请的一方面,提供了一种储能装置,包括:
壳体,包括具有开口的容纳腔;
电极组件,容置于所述容纳腔内,且包括层叠设置的正极片、负极片和隔膜,所述正极片为上述一方面所述的正极片;
端盖单元,密封所述容纳腔的开口。
本申请实施方式中,对于包括上述一方面所述的正极片的储能装置,能够在具有足够活性钠的情况下,减小储能装置的容量衰减,进而减少储能装置循环跳水的问题,以延长储能装置的使用寿命。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本申请。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的实施方式;相反,提供这些实施方式使得本申请将全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构,因而将省略它们的详细描述。
本申请实施方式提供了一种储能装置100,该储能装置100可以是但不限于单体电池、电池模组、电池包、电池系统等。而对于单体电池,其可以为钠离子二次电池、钠硫电池等,单体电池可呈圆柱体、扁平体、长方体等,本申请实施方式对此不做限定。
接下来以储能装置100为圆柱单体电池为例,对储能装置100进行详细解释。
图1示例了本申请实施方式提供的一种储能装置100的结构示意图。如图1所示,该储能装置100包括壳体10、电极组件20和端盖单元30,壳体10包括具有开口的容纳腔11;电极组件20容置于容置腔内;端盖单元30密封容纳腔11的开口。
其中,壳体10可以为一端开口的筒状结构,此时储能装置100包括一个端盖单元30,以能够对壳体10的一个开口进行密封;当然,壳体10也可以为两端开口的筒状结构,此时储能装置100包括一个端盖单元30和一个端盖,或者包括两个端盖单元30,如此能够分别对壳体10的两个开口进行密封。
其中,如图1所示,端盖单元30包括盖板31和电极端子32,电极端子32穿设在盖板31上,且一端与电极组件20的一个极耳连接,另一端裸露在壳体10外,以作为储能装置100的一个输出端;盖板31上还可以设置有防爆阀和/或注液孔,防爆阀用于外排容纳腔11内的气体,以提高储能装置100使用的安全性,注液孔用于向储能装置100的容纳腔11内注入电解液。
其中,如图2所示,电极组件20包括层叠设置的正极片21、负极片22和隔膜23,且隔膜23位于正极片21与负极片22之间,正极片21、负极片22在电极组件20的轴向上的端部均具有极耳,以形成电极组件20的正极耳和负极耳。正极耳、负极耳位于电极组件20的不同端,此时正极耳、负极耳中的一者与端盖单元30包括的电极端子32连接,另一者与壳体10的底部连接,以通过端盖单元30的电极端子32和壳体10的底部实现电极组件20的电能的输出。
需要说明的是,储能装置100还包括金属转接件,可通过一个金属转接件实现电极组件20的一个极耳与端盖单元30的一个电极端子32的连接,以及通过另一个金属转接件实现电极组件20的另一个极耳与壳体10底部的连接,保证电极组件20的电能的输出。其中,两个金属转接件的结构可以相同,也可以不同。
在储能装置100的使用过程中,尤其是在首次使用时,会在电极组件20的负极片22的表面形成固体电解质界面膜,以造成储能装置100的活性钠的消耗,而在后续使用储能装置100时,也会因为各种原因造成活性钠的消耗,从而造成储能装置100的容量衰减,导致循环跳水的问题。为此,本申请实施方式提供了一种正极片21,用于实现活性钠补充的同时避免析钠的现象,以减小储能装置100容量的衰减,进而减少储能装置100循环跳水的问题,以延长储能装置100的循环寿命。
接下来对本申请涉及的正极片21进行详细解释。
图3示例了本申请实施方式提供的一种正极片21的剖面结构示意图。如图3所示,正极片21包括:集流体211,以及位于集流体211表面的涂层212。
其中,对于正极片21,可以是集流体211一侧的表面具有涂层212,也可以是集流体211两侧的表面均具有涂层212。而相较于集流体211一侧的表面具有涂层212的情况,集流体211两侧的表面均具有涂层212的情况能够有效增大正极片21在单位面积内的活性钠的含量,从而对于包括该正极片21的储能装置100,能够有效增大比容量,且同时因为减少集流体211的用量,以实现储能装置100的轻量化。
集流体211表面的涂层212包括颗粒状的第一含钠化合物Na1和第二含钠化合物Na2,第一含钠化合物Na1为正极活性材料,第二含钠化合物Na2为单金属或多金属含钠化合物,且第二含钠化合物Na2的钠元素含量大于第一含钠化合物Na1的钠元素含量,也即是第二含钠化合物Na2的钠元素质量占比大于第一含钠化合物Na1的钠元素质量占比,从而通过添加的第二含钠化合物Na2实现活性钠的补充。
其中,第一含钠化合物Na1的钠元素质量占比小于或等于20%,第二含钠化合物Na2的钠元素质量占比大于20%,从而通过第二含钠化合物Na2的加入,达到了对正极片21的补钠效果。此时,在制作涂层212对应的正极浆料时,可基于相关技术的涂层212中第一含钠化合物Na1的质量占比,重新分配第一含钠化合物Na1的质量占比和第二含钠化合物Na2的质量占比,以通过第二含钠化合物Na2中多于第一含钠化合物Na1的钠元素实现对正极片21的补钠,同时避免对涂层212包括的其他各组份质量占比的调整,便于简化正极浆料的配置过程。
其中,重新分配前,涂层212中包括颗粒状的第一含钠化合物Na1,且不包括第二含钠化合物Na2;重新分配后,涂层212中同时包括颗粒状的第一含钠化合物Na1、第二含钠化合物Na2。另外,重新分配前第一含钠化合物Na1的质量占比等于重新分配后的第一含钠化合物Na1的质量占比与第二含钠化合物Na2的质量占比之和。示例地,重新分配前涂层212中第一含钠化合物Na1的质量占比为0.92,重新分配后涂层212中第一含钠化合物Na1的质量占比为0.83,第二含钠化合物Na2的质量占比为0.09。
其中,第一含钠化合物Na1为正极活性材料,具体可以是聚阴离子化合物、过渡金属氧化物或普鲁士蓝,以及包含钠的有机化合物中的至少一种。如此可降低第一含钠化合物Na1的选取标准,以在选取单价较小的一种正极材料时降低涂层212的成本;另外,也可通过多种类型的正极活性材料构成第一含钠化合物Na1,以通过多种类型的正极材料的配合提高正极片21的电性能。
其中,聚阴离子化合物的分子式为NaxMy(XaOb)zZw,M为元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ca、Mg、Al、Nb等中的一种;X为元素Si、S、P、As、B、Mo、W、Ge中的一种;Z为元素F或OH根离子;比如聚阴离子化合物为:Na3V2(PO4)3、Na2FeP2O7等。过渡金属氧化物的分子式为NaxMO2,M为过渡金属原子,具体为元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ca、Mg、Al、Nb中的一种,0<x≤1;比如过渡金属氧化物为NaxFeO2、NaxNiO2、NaxCoO2、NaxMnO2、NaxVO2、NaxCrO2(x≤1)等。普鲁士蓝的分子式为NaxM[Fe(CN)6]y·nH2O,M为元素Ni、Fe、Mn、Co、Cu、Zn中的一种,1<x≤2,0<y≤1,0<n<15;比如普鲁士蓝为NaxFeFe(CN)6、NaxMnFe(CN)6、NaxCoFe(CN)6、NaxNiFe(CN)6(x≤2)等。
另外,对于不同类型的第一含钠化合物Na1,为了达到更优的补钠效果,第二含钠化合物Na2的钠元素质量占比也不同。对于第一含钠化合物Na1为聚阴离子化合物或普鲁士蓝的情况,第二含钠化合物Na2中钠元素的质量占比>20%,对于第一含钠化合物Na1为过渡金属氧化物的情况,第二含钠化合物Na2中钠元素的质量占比>23%。
第二含钠化合物Na2为单金属或多金属含钠化合物。如此在以单金属或多金属的含钠化合物作为第二含钠化合物Na2时,实现对正极片21的补钠外,便于在通过扫描电子显微镜观察涂层212时,通过第二含钠化合物Na2包括的金属元素(标记元素)确定涂层212的电镜图上第二含钠化合物Na2的颗粒所在的位置。
以单金属或双金属为例,第二含钠化合物Na2的分子式为NaxMyNzTw,其中x的范围为0.5~5,y,z的范围为0~3,w的范围为0~3,且y、z、w中的至少一者不为0,M、N均为元素Zn、Ni、Co、Cu、Mo、Fe、Mn、Cr、V、Al中的一种,T为元素O、N、F、S、Cl中的一种。如此,以保证第二含钠化合物Na2中的钠元素含量大于第一含钠化合物Na1中的钠元素含量。示例地,第二含钠化合物Na2为Na2NiO2、Na5FeO4、NaCrO2中的至少一种。
本申请实施方式中,为了保证涂层212中第二含钠化合物Na2分布的均匀性,通常以涂层212的一个观测区域为比较基准,而涂层212的一个观测区域为通过扫描电子显微镜观测涂层212的表面或切面时,在扫描电子显微镜的视窗区可观测到的区域。比如通过型号为蔡司 sigma300的扫描电子显微镜在1K放大倍数下工作距离大于或等于3.0毫米且小于或等于6.0毫米时在涂层212的表面或切面观察时的可视区域。
其中,观测区域是指涂层212上面积大于或等于6500平方微米,且小于或等于7000平方微米的区域,即观测区域的面积大于或等于6500平方微米,且小于或等于7000平方微米。示例地,工作距离为3.0毫米、3.5毫米、4.0毫米、4.5毫米、5.0毫米、5.5毫米、6.0毫米等。观测区域的面积为6500平方微米、6600平方微米、6720平方微米、6800平方微米、6900平方微米、7000平方微米等。
其中,观测区域的形状可以是正方向、长方形或圆形,当然还可以是椭圆形等,具体取决于观测时所采用的扫描电子显微镜的视窗区的形状。示例地,以观测区域的形状为长方形,且观测区域的面积为6720平方微米为例,观测区域可以是涂层212的表面或切面上长边为100微米且短边为67.2微米的长方形区域。
在一些实施方式中,可通过涂层212的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数,以及第二含钠化合物Na2的颗粒间距的平均距离和标准差表征第二含钠化合物Na2的颗粒在涂层212中分布的均匀性。
其中,经发明人认真研究发现,当涂层212的观测区域内,第二含钠化合物Na2的颗粒数大于或等于2且小于或等于5,且第二含钠化合物Na2的颗粒间距的平均距离大于或等于10微米且小于或等于60微米,第二含钠化合物Na2的颗粒间距的标准差小于或等于45微米时,可确定第二含钠化合物Na2的颗粒在涂层212中均匀分布。
如此,通过限定涂层212上的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数,以及第二含钠化合物Na2的颗粒间距的平均距离和标准差,以保证第二含钠化合物Na2的颗粒在涂层212中分布的均匀性,从而保证第二含钠化合物Na2对正极片21的补钠效果,同时避免正极片21的局部区域第二含钠化合物Na2的颗粒聚集造成钠元素补充过量,即保证了正极片21的整个区域内钠元素含量基本相同。
其中,对于涂层212上的多个观测区域而言,观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数均相等,且每个观测区域内的第二含钠化合物Na2的颗粒数可以是2个、3个、4个或5个。示例地,如图4或图5所示的观测区域的电镜图,涂层212的观测区域内具有4个第二含钠化合物Na2的颗粒(分别颗粒A1、颗粒A2、颗粒A3、颗粒A4)。
其中,对于观测区域内的第二含钠化合物Na2的颗粒间距的平均距离可以为10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米等;观测区域内的第二含钠化合物Na2的颗粒间距的标准差可以为10微米、20微米、30微米、40微米、45微米。
而对于观测区域内的第二含钠化合物Na2的颗粒之间的间距,可以是如图4所示的第二含钠化合物Na2的颗粒的正投影的最小外接圆的圆心之间的距离;也可以是如图5所示的第二含钠化合物Na2的颗粒的正投影的最大内接圆的圆心之间的距离。当然,还可以通过其他方式确定第二含钠化合物Na2的颗粒的正投影之间的间距,本申请实施方式对此不做限定。
示例地,继续上述举例,对于图4所示的观测区域的电镜图中具有第二含钠化合物Na2的颗粒A1、颗粒A2、颗粒A3、颗粒A4,此时四个颗粒之间的间距分别是:颗粒A1与颗粒A2的间距S12为66.6微米,颗粒A1与颗粒A3的间距S13为56.23微米,颗粒A1与颗粒A4的间距S14为28.49微米,颗粒A2与颗粒A3的间距S23为32.17微米,颗粒A2与颗粒A4间距S24为56.32微米,颗粒A3与颗粒A4的间距S34为47.45微米。此时,观测区域内的第二含钠化合物Na2的颗粒之间的间距的平均距离为66.6微米、56.23微米、28.49微米、32.17微米、56.32微米、47.45微米的平均值,即为47.88微米(大于10微米且小于60微米);观测区域内的第二含钠化合物Na2的颗粒之间的间距的标准差为33.38微米(小于45微米)。
上述所涉及的正投影均是在与涂层212的表面垂直的方向,或者与涂层212的切面垂直的方向上的投影,而由于第二含钠化合物Na2的颗粒较小,没办法确认正投影所在的区域,因此可确定电镜图上第二含钠化合物Na2的颗粒的边缘围成的区域即为第二含钠化合物Na2的颗粒的正投影区域。另外,对于观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒,可基于观测区域的电镜图确定观测区域的二值化电镜图,进而在二值化电镜图中确定第二含钠化合物Na2的颗粒边缘,再确定第二含钠化合物Na2的颗粒的外接圆或内接圆等。
本申请实施方式中,在采用扫描电子显微镜观测正极片21的涂层212时,一方面,可通过观测到的颗粒大小区分第一含钠化合物Na1的颗粒和第二含钠化合物Na2的颗粒;另一方面,可通过第二含钠化合物Na2所包括的标记元素的正投影面积在观测区域内的面积占比区分第一含钠化合物Na1的颗粒和第二含钠化合物Na2的颗粒。当然,也可以通过上述两方面结合的方式确定观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒的位置。
当通过颗粒大小区分第一含钠化合物Na1的颗粒和第二含钠化合物Na2的颗粒时,可以是第二含钠化合物Na2的颗粒的中值粒径大于第一含钠化合物Na1的颗粒的中值粒径。如此,对于通过扫描电子显微镜获得的观测区域的电镜图,可更为方便的区分电镜图中的第二含钠化合物Na2的颗粒。
可选地,由于第一含钠化合物Na1的颗粒的中值粒径通常为6微米左右(比如5微米、6微米、7微米),因此可设置第二含钠化合物Na2的颗粒的中值粒径大于或等于10微米,从而通过限定第二含钠化合物Na2的颗粒的最小中值粒径,便于实现对观测区域内第一含钠化合物Na1的颗粒和第二含钠化合物Na2的颗粒的区分。示例地,第二含钠化合物Na2的颗粒的中值粒径为10微米、12微米、14微米、16微米、18微米等。
进一步地,可设置第二含钠化合物Na2的颗粒的中值粒径小于或等于20微米,如此通过限定第二含钠化合物Na2的颗粒的最大中值粒径,避免在制作正极浆料时,因第二含钠化合物Na2的颗粒较大,导致涂层212中第二含钠化合物Na2的颗粒间距较大,且避免因第二含钠化合物Na2的颗粒较大造成钠元素含量较为集中的情况,如此,对于具有该正极片21的储能装置100,在实现补钠的同时,避免出现析钠的现象。
当通过第二含钠化合物Na2包括的标记元素区分第一含钠化合物Na1的颗粒和第二含钠化合物Na2的颗粒时,可选地,观测区域内,第二含钠化合物Na2的标记元素的正投影面积与观测区域的面积的比值小于或等于0.2。如此,通过限定观测区域内标记元素的正投影面积与观测区域的面积的比值,以保证能够确定第二含钠化合物Na2的颗粒的位置,同时设置较少的标记元素的含量,从而能够有效保证第二含钠化合物Na2中活性钠的含量,提高补钠效果。
其中,结合上述所述的第二含钠化合物Na2的分子式可知,第二含钠化合物Na2包括的标记元素为M、N对应的金属元素。示例地,第二含钠化合物Na2的标记元素的正投影面积与观测区域的面积的比值可以为0.02、0.06、0.1、0.15、0.2等。
其中,对于第二含钠化合物Na2的标记元素的正投影面积,可通过扫描电子显微镜在1K放大倍数的情况下获取观测区域的电镜图,同时确定观测区域内第二含钠化合物Na2包括的标记元素所在的区域,进而确定标记元素的正投影面积。
对于根据标记元素的正投影确定对应面积的方法,可以确定标记元素的正投影的边缘所围成区域的面积总和;或者确定标记元素的正投影的最小外接圆的圆面积总和;或者确定标记元素的正投影的最大内接圆的圆面积总和等。
需要说明的是,本申请实施方式中,所涉及的电镜图,均是通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5.0kV的条件下得到。
本申请实施方式中,集流体211表面的涂层212除了包括第一含钠化合物Na1和第二含钠化合物Na2外,还至少包括导电剂、分散剂、粘结剂和溶剂。对于涂层212包括的各组份(导电剂、分散剂、粘结剂、溶剂、第一含钠化合物Na1、第二含钠化合物Na2)可通过高速搅拌的方式形成正极浆料,同时保证第一含钠化合物Na1、第二含钠化合物Na2的颗粒在正极浆料中分布的均匀性,进而在集流体211至少一侧的表面涂布该正极浆料,以待烘干后在集流体211的表面形成涂层212,使得该涂层212中具有均匀分布的第一含钠化合物Na1、第二含钠化合物Na2的颗粒。
由于第一含钠化合物Na1、第二含钠化合物Na2的颗粒在涂层212中分布的均匀性,保证了第二含钠化合物Na2对正极片21的补钠效果,同时避免正极片21的局部区域第二含钠化合物Na2的颗粒聚集造成局部区域内钠元素补充过量,即保证了正极片21的整个区域内钠元素含量基本相同。如此,对于具有该正极片21的储能装置100,在实现活性钠补充的同时避免了因正极片21的局部区域因钠元素含量过大而出现析钠的现象,减小了储能装置100的容量衰减的问题,进而减少了储能装置100循环跳水的问题,延长了储能装置100的循环寿命。
而对于包括涂层212的正极片21的制作方法包括如下步骤:
(1)在露点0摄氏度以上,35摄氏度以下,将导电剂、粘结剂和第一部分溶剂混合分散均匀后,得到第一浆料;
(2)将分散剂、第一含钠化合物Na1颗粒、第二含钠化合物Na2颗粒和第二部分溶剂混合分散均匀,得到第二浆料;
(3)将第一浆料和第二浆料混合搅拌,得到正极浆料,正极浆料的粘度为4000毫帕/秒-20000毫帕/秒,且固含量为35%-70%;
(4)将得到的正极浆料涂覆在集流体211的表面,并进行干燥、辊压和冲洗后得到正极片21。
其中,导电剂可以是导电炭黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管和碳纤维等中的至少一种,粘结剂可以是丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯丙烯酸、聚苯烯酸酯、聚四氟乙烯等中的至少一种,溶剂可以是去离子水、N-甲基吡咯烷酮等中的至少一种。
上述步骤中,第一含钠化合物Na1的颗粒的中值粒径为4~6微米,第二含钠化合物Na2的中值粒径为15微米,且正极浆料中第一含钠化合物Na1和第二含钠化合物Na2的总含量X为30-68%,第一含钠化合物Na1的含量a为20-67%,第二含钠化合物Na2的含量b为X-a。示例地,正极浆料中第一含钠化合物Na1和第二含钠化合物Na2的总含量X为50%,第一含钠化合物Na1的含量a为28%,第二含钠化合物Na2的含量b为22%。
上述步骤中,得到第一浆料、第二浆料、正极浆料的搅拌速度分别为500-2000转/分钟、500-5000转/分钟、1000-5000转/分钟,以保证各浆料中各组分分散的均匀性,尤其是正极浆料中第一含钠化合物Na1与第二含钠化合物Na2分散的均匀性。示例地,得到第一浆料时相应的搅拌速度为500转/分钟、1000转/分钟、1500转/分钟、2000转/分钟,得到第二浆料时相应的搅拌速度为500转/分钟、2000转/分钟、3500转/分钟、5000转/分钟,得到正极浆料时相应的搅拌速度为1000转/分钟、3000转/分钟、5000转/分钟。
上述步骤中,对涂敷在集流体211表面的正极浆料进行干燥的干燥温度保持在60摄氏度~130摄氏度,且持续时长为2小时~20小时;对干燥后的正极浆料进行辊压时压力值为10千牛-200千牛。示例地,正极浆料的干燥温度为60摄氏度、80摄氏度、110摄氏度、130摄氏度,干燥温度的持续时长为2小时、8小时、14小时、20小时,干燥后辊压的压力值为10千牛、60千牛、110千牛、160千牛、200千牛。
对比例1:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为95%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:6微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为7000毫帕/秒,固含量为60%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为120℃,干燥时长为4h,辊压的压力值为20千牛,得到正极对比样片1。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极对比样片1,得到观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为0。对于具有该正极对比样片1的储能装置100,未达到补钠效果,且循环100次的容量保持率仅为70.2%,且不会出现析钠现象。
实施例1:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为93%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:5微米)、含量为2%的第二含钠化合物Na2(化学式为:Na2NiO2,中值粒径为15微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5%的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为5700毫帕/秒,固含量为57%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为110℃,干燥时长为6h,辊压的压力值为50千牛,得到正极示例样片1。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极示例样片1,得到面积为6600平方微米内的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为2,且2个第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离为40.1微米,2个第二含钠化合物的颗粒间距的标准差为13.2微米。对于具有该正极示例样片1的储能装置100,循环100次的容量保持率为91.9%,且不会出现析钠现象。
实施例2:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为90%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:5微米)、含量为5%的第二含钠化合物Na2(化学式为:Na2NiO2,中值粒径为15微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5%的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为6200毫帕/秒,固含量为58.5%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为115℃,干燥时长为5h,辊压的压力值为60千牛,得到正极示例样片2。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极示例样片2,得到面积为6600平方微米内的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为5,且5个第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离为35.5微米,5个第二含钠化合物的颗粒间距的标准差为25.6微米。对于具有该正极示例样片2的储能装置100,循环100次的容量保持率为92.1%,且不会出现析钠现象。
实施例3:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为92%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:5微米)、含量为3%的第二含钠化合物Na2(化学式为:Na2NiO2,中值粒径为15微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5%的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为6900毫帕/秒,固含量为61%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为105℃,干燥时长为8h,辊压的压力值为70千牛,得到正极示例样片3。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极示例样片3,得到面积为6600平方微米内的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为3,且3个第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离为56.85微米,3个第二含钠化合物的颗粒间距的标准差为8.6微米。对于具有该正极示例样片3的储能装置100,循环100次的容量保持率为90.9%,且不会出现析钠现象。
实施例4:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为91%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:5微米)、含量为4%的第二含钠化合物Na2(化学式为:Na2NiO2,中值粒径为15微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5%的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为7700毫帕/秒,固含量为63%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为125℃,干燥时长为3h,辊压的压力值为100千牛,得到正极示例样片4。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极示例样片4,得到面积为6600平方微米内的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为4,且4个第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离为24.4微米,4个第二含钠化合物的颗粒间距的标准差为17.4微米。对于具有该正极示例样片4的储能装置100,循环100次的容量保持率为91.1%,且不会出现析钠现象。
实施例5:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为92%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:5微米)、含量为3%的第二含钠化合物Na2(化学式为:Na2NiO2,中值粒径为15微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5%的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为7400毫帕/秒,固含量为62.5%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为90℃,干燥时长为14h,辊压的压力值为90千牛,得到正极示例样片5。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极示例样片5,得到面积为6600平方微米内的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为3,且3个第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离为7.2微米,3个第二含钠化合物的颗粒间距的标准差为4.8微米。对于具有该正极示例样片5的储能装置100,循环100次的容量保持率为86.5%,且会出现析钠现象。
实施例6:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为89%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:5微米)、含量为6%的第二含钠化合物Na2(化学式为:Na2NiO2,中值粒径为15微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5%的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为4900毫帕/秒,固含量为56%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为80℃,干燥时长为18h,辊压的压力值为80千牛,得到正极示例样片6。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极示例样片6,得到面积为6600平方微米内的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为6,且6个第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离为54微米,6个第二含钠化合物的颗粒间距的标准差为57.8微米。对于具有该正极示例样片6的储能装置100,循环100次的容量保持率为72.5%,且会出现析钠现象。
实施例7:结合上述所述的正极片21的制作方法,在15%RH以内的湿度下,将含量为89%的第一含钠化合物Na1(化学式为:Na0.97Ni0.34Fe0.31Mn0.35O2,中值粒径为:5微米)、含量为6%的第二含钠化合物Na2(化学式为:Na2NiO2,中值粒径为15微米)、含量为2.5%的导电剂(导电炭黑)、含量为2.5%的粘结剂(聚偏氟乙烯)、溶剂(N-甲基吡咯烷酮)在搅拌罐中搅拌,得到粘度为6800毫帕/秒,固含量为60%的正极浆料,再将正极浆料涂敷在集流体211的表面,且干燥温度为85℃,干燥时长为17h,辊压的压力值为50千牛,得到正极示例样片7。之后通过扫描电子显微镜在1K放大倍数、加速电压为5kV对的条件下,观测正极示例样片7,得到面积为6600平方微米内的观测区域内第二含钠化合物Na2的颗粒数为6,且6个第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离为78微米,6个第二含钠化合物的颗粒间距的标准差为69.4微米。对于具有该正极示例样片7的储能装置100,循环100次的容量保持率为70.2%,且会出现析钠现象。
对于分别包括上述对比例1、实施例1-7所制作的正极片21的储能装置100,在使用该储能装置100时,正极片21中第二含钠化合物Na2的颗粒的物理参数,以及储能装置100的充电比容量、放电比容量和析锂情况如下表所示。
结合上述对比例1和实施例1-7可知,观测区域内的第二含钠化合物Na2颗粒的颗粒数大于或等于2且小于或等于5,第二含钠化合物Na2的颗粒间距的平均距离大于或等于10微米且小于或等于60微米,且第二含钠化合物Na2的颗粒间距的标准差小于或等于45微米时,表征第二含钠化合物Na2的颗粒在涂层212中均匀分布,且对于具有满足该条件的正极片21的储能装置100,在循环100次后仍具有较高的容量保持率,且不会出现析钠现象。
另外,图6示出了上述对比例1所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线,实施例1所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线,实施例2所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线,实施例3所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线,实施例4所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线,实施例5所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线,实施例6所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线,实施例7所涉及的储能装置100的25℃-1C容量保持率的曲线。由此可知,相较于对比例1而言,在正极片21的涂层212中加入第二含钠化合物Na2进行补钠后,观测区域内的第二含钠化合物Na2颗粒的颗粒数大于或等于2且小于或等于5,且涂层212的第二含钠化合物Na2的颗粒间距的平均距离大于或等于10微米且小于或等于60微米,且第二含钠化合物Na2的颗粒间距的标准差小于或等于45微米时,实施例1-4所涉及的储能装置100具有更好的容量保持率。
需要说明的时,对于上述对比例和实施例中的储能装置100,确定是否出现析钠的方法为:将储能装置100自初始温度T0(比如-20摄氏度)以0.3C~5C的充电倍率进行充电至温度提升ΔT(大于或等于5摄氏度),以使温度达到目标温度T1;继续将储能装置100自目标温度T1继续以0.5C~5C的充电倍率充电至80%SOC,再将充电达到80%SOC的各储能装置100进行拆解,以观察负极极片界面是否析钠。
本申请实施方式还提供了一种补钠颗粒分布均匀的确定方法。如图7所示,该方法包括如下步骤。
步骤一:提供正极片,正极片包括涂层,且涂层中包括颗粒状的第一含钠化合物和第二含钠化合物,第一含钠化合物为正极活性材料,第二含钠化合物为非金属的补钠材料。
步骤二:调整扫描电子显微镜至1K放大倍数、加速电压为5kV,并采用扫描电子显微镜观测正极片,得到观测区域内的电镜图,观测区域包括第二含钠化合物的完整颗粒,且观测区域的面积大于或等于6500平方微米,且小于或等于7000平方微米。
步骤三:在电镜图中确定第二含钠化合物的颗粒数,以及第二含钠化合物的多个颗粒间距。
步骤四:根据第二含钠化合物的多个颗粒间距,确定第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离和标准差。
步骤五:当第二含钠化合物的颗粒数大于或等于2且小于或等于5,第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离大于或等于10微米且小于或等于60微米,且颗粒间距的标准差小于或等于45微米时,确定正极片的涂层中补钠颗粒均匀分布。
本申请实施方式中,通过扫描电子显微镜确定正极片的涂层上观测区域的电镜图,进而根据电镜图确定观测区域内第二含钠化合物的颗粒数,以及第二含钠化合物的颗粒间距的平均距离和标准差,以确定第二含钠化合物的颗粒在涂层中是否均匀分布,进而确定第二含钠化合物对正极片的补钠效果,同时避免正极片的局部区域出现析钠的情况。
上述步骤一中,正极片可通过上述实施方式所述的制作方法制作得到,且第二含钠化合物的颗粒即为补钠颗粒。
上述步骤二中,扫描电子显微镜的型号可以是蔡司 sigma300,当然也可以是其他型号,只要能够清楚观察正极片的涂层上观测区域内的颗粒即可。而对于其他型号的扫描电子显微镜,由于电子显微镜本身结构参数的区别,为了保证得到的电镜图能够清楚的区分颗粒类型,该型号的扫描电子显微镜的放大倍数、加速电压可进行略微调整。
上述步骤三中,在电镜图中确定第二含钠化合物的颗粒的个数,以及第二含钠化合物的颗粒之间的多个间距之前,可根据电镜图中各颗粒的尺寸以区分第一含钠化合物的颗粒和第二含钠化合物的颗粒,进而根据区分后的第二含钠化合物的颗粒进行确定。
其中,在电镜图中确定第二含钠化合物的颗粒之间的多个间距,包括:确定第二含钠化合物的颗粒的最小外接圆的圆心之间的多个间距,或者确定第二含钠化合物的颗粒的最大内接圆的圆心之间的多个间距。具体可参考上述实施方式所述,本申请实施方式对此不再赘述。
在本申请实施方式中,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;术语“多个”则指两个或两个以上,除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;“相连”可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施方式中的具体含义。
本申请实施方式的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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,仅是为了便于描述本申请实施方式和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作,因此,不能理解为对本申请实施方式的限制。
在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请实施方式的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或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。
以上仅为本申请实施方式的优选实施例而已,并不用于限制本申请实施方式,对于本领域的技术人员来说,本申请实施方式可以有各种更改和变化。凡在本申请实施方式的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请实施方式的保护范围之内。