CN117441252A - 钠离子电池、电池模块、电池包和用电装置 - Google Patents

钠离子电池、电池模块、电池包和用电装置 Download PDF

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CN117441252A CN202280007789.6A CN202280007789A CN117441252A CN 117441252 A CN117441252 A CN 117441252A CN 202280007789 A CN202280007789 A CN 202280007789A CN 117441252 A CN117441252 A CN 117441252A
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刘倩
叶永煌
喻春鹏
孙婧轩
陈佳华
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Abstract

本申请提供一种钠离子电池、电池模块、电池包和用电装置。所述钠离子电池包括正极极片、负极极片和隔离膜；正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体的至少一个表面的正极活性物质层；负极极片包括负极集流体和设置于负极集流体的至少一个表面的负极活性物质层；隔离膜设置于正极极片和负极极片之间；正极活性物质层的孔隙率α、负极活性物质层的孔隙率β和隔离膜的孔隙率γ之间满足：0≤(β‑α)/γ≤1.5，且α≤γ。本申请的钠离子电池同时对正极活性物质层的孔隙率、负极活性物质层的孔隙率β和隔离膜的孔隙率γ调控，能够提高钠离子电池的充电和放电性能，由此提高钠离子电池的容量性能和充放电功率。

Description

钠离子电池、电池模块、电池包和用电装置 技术领域
本申请涉及电池领域，具体涉及一种钠离子电池、电池模块、电池包和用电装置。
背景技术
锂离子电池由于高的能量密度和长的循环寿命，已经占据了二次电池的主要市场。目前，先进的储能系统大多都采用锂离子电池技术。尽管如此，随着锂离子电池价格的波动特别是锂资源的消耗和未来面临的短缺，在电池领域迫切需要寻求一种替代产品或技术来满足全球日益增长的储能需求。
钠元素和锂元素为元素周期表中同一主族的元素，物理化学性质接近；并且钠元素在自然界储量丰富，尤其是在海洋中具有巨大的储量，可考虑作为电池的活性离子，以此解决锂资源短缺的问题。
然而，由于钠离子的半径和相对原子质量均较高，其作为活性离子应用于电池时，钠离子电池的性能例如充放电功率相对较差。因此，迫切需要对钠离子电池的性能进行改善，以期获得性能优良的钠离子电池。
发明内容
本申请是鉴于上述课题而进行的，其目的在于，提供一种钠离子电池、电池模块、电池包和用电装置。
本申请的第一方面提供了一种钠离子电池，所述钠离子电池包括正极极片、负极极片和隔离膜；正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体的至少一个表面的正极活性物质层；负极极片包括负极集流体和设置于负极集流体的至少一个表面的负极活性物质层；隔离膜设置于正极极片和负极极片之间；正极活性物质层的孔隙率α、负极活性物质层的孔隙率β和隔离膜的孔隙率γ之间满足：0≤(β-α)/γ≤1.5，且α≤γ。
由此，本申请同时对正极活性物质层的孔隙率、负极活性物质层的孔隙率β和隔离膜的孔隙率γ调控满足0≤(β-α)/γ≤1.5，且α≤γ，在充电时，正极活性物质层中的钠离子从正极极片中脱出，能够快速通过隔离膜迁移并嵌入至负极活性物质层中，钠离子被负极活性物质层充分且快速地接收，从而提高钠离子电池的容量发挥。在放电时，负极活性物质层中的钠离子从负极极片中脱出，能够快速通过隔离膜迁移并嵌入至正极活性物质层中，钠离子被正极活性物质层充分且快速地接收，从而提高钠离子 电池的容量发挥，从而提高钠离子电池的容量发挥，以及提高钠离子电池的充电和放电性能，由此提高钠离子电池的容量性能和充放电功率。
在任意实施方式中中，0.4≤(β-α)/γ≤1.0。正极活性物质层的孔隙率、负极活性物质层的孔隙率β和隔离膜的孔隙率γ满足上述范围时，可以进一步提高钠离子电池的充放电性能。
在任意实施方式中中，正极活性物质层的孔隙率α满足：20％≤α≤40％，可选地，28％≤α≤38％。
由此，本申请的正极活性物质层的孔隙率α满足上述范围时，正极活性物质层的孔隙率适中，有利于钠离子从正极活性物质层中脱出，并且有利于钠离子嵌入正极活性物质层中；并且电解液可以充分浸润正极活性物质层，提高正极活性物质层界面的浸润性。
在任意实施方式中中，负极活性物质层的孔隙率β满足：40％≤β≤66％，可选地，45％≤β≤58％。
由此，本申请的负极活性物质层的孔隙率满足上述范围时，负极活性物质层的孔隙率β适中，有利于钠离子从负极活性物质层中脱出，并且有利于钠离子嵌入负极活性物质层中；并且电解液可以充分浸润负极活性物质层，提高负极活性物质层界面的浸润性。
在任意实施方式中中，隔离膜的孔隙率γ满足：30％≤γ≤55％，可选地，33％≤γ≤50％。
由此，本申请的隔离膜的孔隙率满足上述范围时，隔离膜的孔隙率γ适中，有利于钠离子经隔离膜迁移至正极活性物质层或负极活性物质层中。
在任意实施方式中中，正极活性物质层的压实密度PD1和负极活性物质层的压实密度PD2之间满足：0.44≤PD1/PD2≤2.3。
由此，本申请调控正极活性物质层的压实密度PD1和负极活性物质层的压实密度PD2相匹配，二者之间满足：0.44≤PD1/PD2≤2.3，在充电时，从正极活性物质层脱出的钠离子可以充分嵌入负极活性物质层中；在放电时，从负极活性物质层脱出的钠离子可以充分嵌入正极活性物质层中。正极极片和负极极片的动力学性能相匹配，离子脱出的速度和离子嵌入的速度基本相等，降低正极极片和负极极片中的其中一个极片的动力学性能较差而导致的短板效应。从而能够降低浓差极化而导致的性能损失和能量密度损失等问题，并由此可以提高钠离子电池的充放电功率。
在任意实施方式中中，正极活性物质层的压实密度PD1满足：0.8≤PD1≤1.7，可选地，0.9≤PD1≤1.6，进一步可选地，1.1≤PD1≤1.5。
由此，本申请的正极活性物质层的压实密度PD1相对适中，可以适当降低正极活性物质层的厚度，在缩短钠离子传导路径而提高钠离子电池充放电功率的同时，可以降低浓差极化现象带来的析钠和钠枝晶等问题。
在任意实施方式中中，负极活性物质层的压实密度PD2满足：0.7≤PD2≤1.8，可选地，0.8≤PD2≤1.3，进一步可选地，0.9≤PD2≤1.0。
由此，本申请的负极活性物质层的压实密度PD2相对适中，可以适当降低负极活性物质层的厚度，在缩短钠离子传导路径而提高钠离子电池充放电功率的同时，可以使得钠离子充分嵌入负极活性物质层中，从而可以降低浓差极化现象带来的析钠和钠枝晶等问题。
在任意实施方式中中，正极活性物质层包括正极活性物质，负极活性物质层包括负极活性物质，其中，正极活性物质的克容量CAP1和负极活性物质的克容量CAP2之间满足：
且
其中，h1表示钠离子电池为0％SOC时正极活性物质层的厚度；h2表示钠离子电池为0％SOC时负极活性物质层的厚度。
由此，本申请调节正极活性物质的克容量CAP1和负极活性物质的克容量CAP2之间满足上述关系时，可以保证正极活性物质的克容量CAP1小于负极活性物质的克容量CAP2，由正极活性物质脱出的钠离子基本可以嵌入负极活性物质中，钠离子不容易积聚于负极活性物质的表面，从而能够降低钠离子在负极极片表面堆积形成金属钠而造成析钠的风险，同时也可以降低因析钠而导致的金属钠可能刺破隔离膜，进而导致钠离子电池内部短路的风险，由此可以提高钠离子电池的循环性能。
负极活性物质的克容量CAP2相比于正极活性物质的克容量CAP1而言，略有提高，但不会太高，例如2≤CAP2/CAP1≤3，从而可以降低由于负极活性物质的克容量CAP2过高而导致正极极片冗余能量密度降低的风险，从而能够提高钠离子电池的能量密度。
在任意实施方式中中，正极活性物质的克容量CAP1满足：110mAh/g≤CAP1≤160mAh/g，进一步可选地，120mAh/g≤CAP1≤155mAh/g。正极活性物质的克容量CAP1满足上述范围时，可以提高钠离子电池的容量性能。
在任意实施方式中中，负极活性物质的克容量CAP2满足：300mAh/g≤CAP2≤360mAh/g，进一步可选地，320mAh/g≤CAP2≤355mAh/g。
由此，本申请负极活性物质的克容量CAP2满足上述范围时，可以提高钠离子电池的容量性能；并且可以保证由正极活性物质脱出的钠离子基本可以嵌入负极活性物质中，提高钠离子电池的循环性能。
在任意实施方式中中，负极活性物质层包括负极活性物质，负极活性物质包括人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钠合金中的一种或多种；可选地，负极活性物质包括硬碳。
由此，本申请采用上述负极活性物质有利于钠离子的迁移，尤其是采用硬碳作为负极活性物质时，硬碳的层间距相对较高，钠离子脱嵌的速度相对较快，从而能够提升钠离子电池的充放电功率。
在任意实施方式中中，负极活性物质层包括负极活性物质，负极活性物质的粒径分布满足：0.5≤(D V90-D V10)/D V50≤2。
由此，本申请的负极活性物质的粒径分布与平均粒径尺寸差异不会过大，由正 极活性物质脱出的钠离子嵌入负极活性物质的过程中，由于钠离子在负极活性物质中的迁移路径相近，钠离子可以均匀地嵌入负极活性物质中，从而可以降低发生浓差极化的风险。
在任意实施方式中中，1μm≤D V50≤20μm，进一步可选地，5μm≤D V50≤15μm。
在任意实施方式中中，正极活性物质层包括分子式为Na 2MFe(CN) 6的正极活性物质，M包括Mg、K、Ca、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu和Zn中的一种或多种，且M和Fe的摩尔比满足0.95～1.05。
在任意实施方式中中，隔离膜的厚度满足5μm～15μm，可选为7μm～13μm。
由此，本申请的隔离膜的厚度满足上述范围时，隔离膜的厚度适中，钠离子的传输路径相对较短，可以提高钠离子电池的充放电功率；并且隔离膜还可以保持一定厚度和机械强度，降低由于隔离膜过薄可能导致钠离子电池发生位短路自放电过大等问题。
由此，本申请的正极活性物质的结构稳定性相对较高，且有利于钠离子的脱出和嵌入。
本申请的第二方面还提供了一种电池模块，包括如本申请第一方面任一实施方式的钠离子电池。
本申请的第三方面还提供了一种电池包，包括如本申请第二方面的电池模块。
本申请第四方面还提供了一种用电装置，包括如本申请第一方面任一实施方式的钠离子电池、如本申请第二方面任一实施方式的电池模块或如本申请第三方面的电池包。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施方式的钠离子电池的示意图。
图2是图1所示的本申请一实施方式的钠离子电池的分解图。
图3是本申请一实施方式的电池模块的示意图。
图4是本申请一实施方式的电池包的示意图。
图5是图4所示的本申请一实施方式的电池包的分解图。
图6是本申请一实施方式的用电装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1、钠离子电池；11、外包装；111、顶盖组件；112、壳体；12、电极组件；10、电池模块；20、电池包；21、上箱体；22、下箱体；30、用电装置。
具体实施方式
以下，详细说明具体公开了本申请的钠离子电池、电池模块、电池包和用电装置的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如，有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，便于本领域技术人员的理解。此外，附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的，并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，如果针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。另外，当表述某个参数为≥2的整数，则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明，本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。如果没有特别的说明，本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明，本申请的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，优选是顺序进行的。例如，方法包括步骤(a)和(b)，表示方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，提到方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到方法，例如，方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
如果没有特别的说明，本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式，也可以是封闭式。例如，“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分，也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明，在本申请中，术语“或”是包括性的。举例来说，短语“A或B”表示“A，B，或A和B两者”。更具体地，以下任一条件均满足条件“A或B”：A为真(或存在)并且B为假(或不存在)；A为假(或不存在)而B为真(或存在)；或A和B都为真(或存在)。
钠离子电池中的钠离子作为活性离子，在充电过程中，钠离子从正极活性物质中脱出经隔离膜进入负极活性物质，同时电子通过外电路从正极极片流向负极极片；放电过程与上述充电过程相反。由于钠离子的离子半径较大，在充放电过程中，对离子传输路径的要求较高，否则可能会导致钠离子的传输效率较低，从而降低钠离子电池的充放电功率。
为了提高钠离子电池的充放电功率，发明人从提高钠离子的传输效率的角度出发，对正极极片和负极极片中材质的孔隙率进行了调控，以保证钠离子的顺利迁移，从而提高钠离子的传输效率。接下来对本申请进行详细说明。
[钠离子电池]
第一方面，本申请实施例提供了一种钠离子电池。该钠离子电池包括正极极片、负极极片和隔离膜。隔离膜设置于正极极片和负极极片之间。
[正极极片]
正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极活性物质层，正极活性物质层包括正极活性物质。
作为示例，正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，正极活性物质层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
在一些实施例中，正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施例中，正极活性物质可采用本领域公知的用于电池的正极活性物质。示例性地，正极活性物质可以是包括钠过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物及普鲁士蓝类化合物中的一种或几种。
作为上述钠过渡金属氧化物的一示例，钠过渡金属氧化物可以为Na 1- xCu hFe kMn lM 1 mO 2-y，其中M 1为Li、Be、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、Co、Ni、Zn、Ga、Sr、Y、Nb、Mo、In、Sn及Ba中的一种或几种，0<x≤0.33，0<h≤0.24，0≤k≤0.32，0<l≤0.68，0≤m<0.1，h+k+l+m＝1，0≤y<0.2。
作为上述钠过渡金属氧化物的另一示例，钠过渡金属氧化物可以为Na 0.67Mn 0.7Ni zM 2 0.3-zO 2，其中M 2为Li、Mg、Al、Ca、Ti、Fe、Cu、Zn及Ba中的一种或几种，0<z≤0.1。
作为上述钠过渡金属氧化物的再一示例，钠过渡金属氧化物可以为Na aLi bNi cMn dFe eO 2，其中0.67<a≤1，0<b<0.2，0<c<0.3，0.67<d+e<0.8，b+c+d+e＝1。
作为上述聚阴离子型化合物的一示例，聚阴离子型化合物可以为A 1 fM 3 g(PO 4) iO jX 1 3-j，其中A为H、Li、Na、K及NH 4中的一种或几种，M 3为Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、V、Cu及Zn中的一种或几种，X 1为F、Cl及Br中的一种或几种，0<f≤4，0<g≤2，1≤i≤3，0≤j≤2。
作为上述聚阴离子型化合物的另一示例，聚阴离子型化合物可以为Na nM 4PO 4X 2，其中M 4为Mn、Fe、Co、Ni、Cu及Zn中的一种或几种，X 2为F、Cl及Br中的一种或几种，0<n≤2；Na pM 5 q(SO 4) 3，其中M 5为Mn、Fe、Co、Ni、Cu及Zn中的一种或几种，0<p≤2，0<q≤2。
作为上述聚阴离子型化合物的再一示例，聚阴离子型化合物可以为Na sMn tFe 3- t(PO 4) 2(P 2O 7)，其中0<s≤4，0≤t≤3，例如t为0、1、1.5、2或3。
作为上述普鲁士蓝类化合物的一示例，普鲁士蓝类化合物可以为A uM 6 v[M 7(CN) 6] w·xH 2O，其中A为H +、NH 4 +、碱金属阳离子及碱土金属阳离子中的一种或几种，M 6和M 7各自独立地为过渡金属阳离子中的一种或几种，0<u≤2，0<v≤1，0<w≤1，0<x<6。例如A为H +、Li +、Na +、K +、NH 4 +、Rb +、Cs +、Fr +、Be 2+、Mg 2+、Ca 2+、Sr 2+、Ba 2+及Ra 2+中的一种或几种，M 6和M 7各自独立地为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn及W中的一种或几种过渡金属元素的阳离子。优选地，A为Li +、Na +及K +中的一种或几种，M 6为Mn、Fe、Co、Ni及Cu中的一种或几种过渡金属元素的阳离子，M 7为Mn、Fe、Co、Ni及Cu中的一种或几种过渡金属元素的阳离子。
进一步地，正极活性物质层包括分子式为Na 2MFe(CN) 6的正极活性物质，M包括Mg、K、Ca、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu和Zn中的一种或多种，且M和Fe的摩尔比满足0.95～1.05。
上述实施例的正极活性物质的结构稳定性相对较高，且有利于钠离子的脱出和嵌入。示例性地，M和Fe的摩尔比为0.95、1.0或1.05；当然也可以是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施例中，正极活性物质层还可选地包括粘结剂。作为示例，粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
在一些实施例中，正极活性物质层还可选地包括导电剂。作为示例，导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施例中，可以通过以下方式制备正极极片：将上述用于制备正极极片的组分，例如正极活性物质、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂(例如N-甲基吡咯烷酮)中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到正极极片。
[负极极片]
负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的负极活性物质层，负极活性物质层包括负极活性物质。
作为示例，负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，负极活性物质层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。
在一些实施例中，负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯 (PE)等的基材)上而形成。
在一些实施例中，负极活性物质可采用本领域公知的用于电池的负极活性物质。作为示例，负极活性物质可包括以下材料中的至少一种：人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钠合金等。硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池负极活性物质的传统材料。这些负极活性物质可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。
在一些实施例中，负极活性物质可以包括硬碳。硬碳的层间距相对较高，钠离子脱嵌的速度相对较快，从而能够提升钠离子电池的充放电功率。
在一些实施例中，负极活性物质的粒径分布满足：0.5≤(D V90-D V10)/D V50≤2。负极活性物质的粒径分布与平均粒径尺寸差异不会过大，由正极活性物质脱出的钠离子嵌入负极活性物质的过程中，由于钠离子在负极活性物质中的迁移路径相近，钠离子可以均匀地嵌入负极活性物质中，从而可以降低发生浓差极化的风险。示例性地，负极活性物质为硬碳时，钠离子在硬碳中的迁移路径相近，钠离子可以均匀地嵌入硬碳中。负极活性物质的Dv50数值是指负极活性物质的中值粒度。具体地，某一具体的Dv50数值表示占总体积50％的颗粒直径大于该数值，另有占总体积50％的颗粒直径小于该数值。负极活性物质的Dv50数值可以参照GB/T19077-2016规定的方法测量。Dv10数值表示颗粒中体积分布中10％所对应的粒度，其具体表示颗粒中占总体积10％的颗粒直径大于该数值，另有占总体积90％的颗粒直径小于该数值。负极活性物质的Dv10数值可以参照GB/T19077-2016规定的方法测量。Dv90数值表示颗粒中体积分布中90％所对应的粒度，Dv90数值表示占总体积90％的颗粒直径大于该数值，另有占总体积10％的颗粒直径小于该数值。负极活性物质的Dv90数值可以参照GB/T19077-2016规定的方法测量。
示例性地，以负极活性物质为硬碳为例，采用以下过程控制其粒径分布满足上述范围：采用生物质前驱体麦秸作为原料，在空气环境下高温加热进行第一次干燥；第一次干燥后进行粉碎，然后将粉碎后的麦秸于无氧环境下加热进行第二次干燥；第二次干燥后，采用研磨机器用球磨机球磨粉碎干燥后的麦秸，其中按照一定数量比例采用三种不同粒径(例如50mm、20mm、5mm)的球磨珠研磨，研磨后得到预期粒径分布的硬碳。其他负极活性物质的粒径分布的调节也可参照上述方法进行。
在一些实施例中，负极活性物质的中值粒度满足：1μm≤D V50≤20μm。
负极活性物质的平均粒径满足上述范围时，能够缩短钠离子的脱嵌路径，从而能够保证钠离子电池的首周库仑效率。示例性地，负极活性物质为硬碳时，由于硬碳具有相对较高的层间距，钠离子脱嵌速度较快，有利于提高钠离子电池的充放电功率；同时控制硬碳的粒径满足上述范围，可以缩短钠离子的脱嵌路径。可选地，5μm≤D V50≤15μm，示例性地，D V50可以为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm 或20μm。
在一些实施例中，负极活性物质层还可选地包括粘结剂。粘结剂可选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。
在一些实施例中，负极活性物质层还可选地包括导电剂。导电剂可选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施例中，负极活性物质层还可选地包括其他助剂，例如增稠剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na))等。
在一些实施例中，可以通过以下方式制备负极极片：将上述用于制备负极极片的组分，例如负极活性物质、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂(例如去离子水)中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到负极极片。
[隔离膜]
本申请对隔离膜的种类没有特别的限制，可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。
在一些实施例中，隔离膜的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜，也可以是多层复合薄膜，没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时，各层的材料可以相同或不同，没有特别限制。
在一些实施例中，正极极片、负极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施例中，隔离膜的厚度满足5μm～15μm。
隔离膜的厚度满足上述范围时，隔离膜的厚度适中，钠离子的传输路径相对较短，可以提高钠离子电池的充放电功率；并且隔离膜还可以保持一定厚度和机械强度，降低由于隔离膜过薄可能导致钠离子电池发生位短路自放电过大等问题。隔离膜的厚度可选为7μm～13μm；示例性地，隔离膜的厚度可以为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm；隔离膜的厚度可以为上述任意两个数值所构成的范围。
在一些实施例中，正极活性物质层的孔隙率α、负极活性物质层的孔隙率β和隔离膜的孔隙率γ之间满足：0≤(β-α)/γ≤1.5，且α≤γ。
正极活性物质层的孔隙率α是指正极活性物质层中的孔隙体积占据正极活性物质总体积的比率。负极活性物质层的孔隙率β是指负极活性物质层中的孔隙体积占据负极活性物质总体积的比率。隔离膜的孔隙率γ是指隔离膜中的孔隙体积占据隔离膜总体积的比率。
上述各孔隙率的测定可以参照GB/T 24586-2009中孔隙率测试方法进行。例如可以用美国Micromeritics公司的AccuPyc II 1340型全自动真密度测试仪，进行测试。该测试方法包括，对样品(例如正极极片)裁取30片直径为14mm的小圆片，基于气 体吸附的原理，使用惰性气体比如氦气或者氮气作为介质，测试30片直径为14mm的小圆片的真体积，然后根据小圆片的面积、厚度和数量计算得到的正极极片表观体积与真体积的关系，计算得到孔隙率。负极极片的孔隙率和隔离膜的孔隙率的测试方式和正极极片的孔隙率的测试方式相同，在此不再赘述。
当(β-α)/γ＜0时，隔离膜的孔隙率相对较高，隔离膜中具有较多的孔道，电解液通过隔离膜的虹吸效应将会减弱，从而导致电解液回流不及时，钠离子无法充分通过电解液游离至对向的极片；并且，隔离膜具有较高的孔隙率将会导致隔离膜的绝缘效果较差，很难将正极极片和负极极片进行有效地绝缘隔开，且钠离子电池自放电偏大。
当(β-α)/γ＞1.5时，隔离膜的孔隙率相对较小，钠离子迁移速度受到隔离膜的制约，例如钠离子从正极极片脱出后嵌入负极极片的过程受到隔离膜的孔隙率的制约，隔离膜较难给钠离子迁移提供充足孔道，从而导致钠离子电池的充放电功率受到限制。
本申请实施例同时对正极活性物质层的孔隙率、负极活性物质层的孔隙率β和隔离膜的孔隙率γ调控满足0≤(β-α)/γ≤1.5，且α≤γ，在充电时，正极活性物质层中的钠离子从正极极片中脱出，能够快速通过隔离膜迁移并嵌入至负极活性物质层中，钠离子被负极活性物质层充分且快速地接收，从而提高钠离子电池的容量发挥。在放电时，负极活性物质层中的钠离子从负极极片中脱出，能够快速通过隔离膜迁移并嵌入至正极活性物质层中，钠离子被正极活性物质层充分且快速地接收，从而提高钠离子电池的容量发挥，从而提高钠离子电池的容量发挥，以及提高钠离子电池的充电和放电性能，由此提高钠离子电池的容量性能和充放电性能。可选地，0.4≤(β-α)/γ≤1.0，示例性地，(β-α)/γ可以为0、0.1、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4或1.5；(β-α)/γ也可以为上述任两个数值组成的范围。
在一些实施例中，正极活性物质层的孔隙率α满足：20％≤α≤40％。正极活性物质层的孔隙率α满足上述范围时，正极活性物质层的孔隙率适中，有利于钠离子从正极活性物质层中脱出，并且有利于钠离子嵌入正极活性物质层中；并且电解液可以充分浸润正极活性物质层，提高正极活性物质层界面的浸润性。可选地，28％≤α≤38％；示例性地，α可以为20％、25％、28％、30％、32％、35％、38％、39％或40％；α也可以为上述任两个数值组成的范围。
在一些实施例中，负极活性物质层的孔隙率β满足：40％≤β≤66％。负极活性物质层的孔隙率满足上述范围时，负极活性物质层的孔隙率β适中，有利于钠离子从负极活性物质层中脱出，并且有利于钠离子嵌入负极活性物质层中；并且电解液可以充分浸润负极活性物质层，提高负极活性物质层界面的浸润性。可选地，45％≤β≤58％；示例性地，β可以为40％、43％、45％、50％、55％、58％、60％、62％或66％；β也可以为上述任两个数值组成的范围。
在一些实施例中，隔离膜的孔隙率γ满足：30％≤γ≤55％。隔离膜的孔隙率满足上述范围时，隔离膜的孔隙率γ适中，有利于钠离子经隔离膜迁移至正极活性物质层或 负极活性物质层中。可选地，33％≤γ≤50％，示例性地，γ可以为30％、32％、33％、35％、40％、45％、50％、52％或55％；γ也可以为上述任两个数值组成的范围。
在上述各实施例中，正极活性物质层、负极活性物质层和隔离膜通过各自孔隙率的互相配合，可以促使从其中一个极片脱出的钠离子充分嵌入另一个极片中，从而保证钠离子电池的充放电功率。
在一些实施例中，正极活性物质层的压实密度PD1和负极活性物质层的压实密度PD2之间满足：0.44≤PD1/PD2≤2.3。
压实密度为活性物质层的重量与活性物质层的体积的比值，可以通过调节活性物质层的压实密度调节活性物质的排布。活性物质层的体积为活性物质层的厚度与活性物质层的厚度的乘积。
本申请实施例调控正极活性物质层的压实密度PD1和负极活性物质层的压实密度PD2相匹配，二者之间满足：0.44≤PD1/PD2≤2.3，在充电时，从正极活性物质层脱出的钠离子可以充分嵌入负极活性物质层中；在放电时，从负极活性物质层脱出的钠离子可以充分嵌入正极活性物质层中。正极极片和负极极片的动力学性能相匹配，离子脱出的速度和离子嵌入的速度基本相等，降低正极极片和负极极片中的其中一个极片的动力学性能较差而导致的短板效应。从而能够降低浓差极化而导致的性能损失和能量密度损失等问题，并由此可以提高钠离子电池的充放电功率。可选地，1.1≤PD1/PD2≤1.9；示例性地，PD1/PD2可以为0.44、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.1、2.2或2.3；或者PD1/PD2可以为上述任两个数值组成的范围。
可选地，正极活性物质层的压实密度PD1满足：0.8≤PD1≤1.7。
正极活性物质层的压实密度PD1相对适中，可以适当降低正极活性物质层的厚度，在缩短钠离子传导路径而提高钠离子电池充放电功率的同时，可以降低浓差极化现象带来的析钠和钠枝晶等问题。此外，满足上述压实密度范围的正极活性物质层有利于提升钠离子电池的容量性能，减小内阻，从而延长钠离子电池的循环寿命。可选地，0.9≤PD1≤1.6，进一步可选地，1.1≤PD1≤1.5；示例性地，PD1可以为0.8、0.85、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.65或1.7；或者PD1可以为上述任两个数值组成的范围。
负极活性物质层的压实密度PD2满足：0.7≤PD2≤1.8。
负极活性物质层的压实密度PD2相对适中，可以适当降低负极活性物质层的厚度，在缩短钠离子传导路径而提高钠离子电池充放电功率的同时，可以使得钠离子充分嵌入负极活性物质层中，从而可以降低浓差极化现象带来的析钠等问题。可选地，0.8≤PD2≤1.3，进一步可选地，0.9≤PD2≤1.0；示例性地，PD2可以为0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7或1.8；PD2可以为上述任两个数值组成的范围。
在一些实施例中，正极活性物质层包括正极活性物质，负极活性物质层包括负极活性物质。正极活性物质的克容量CAP1和负极活性物质的克容量CAP2之间满足：
且
其中，h1表示钠离子电池为0％荷电状态(State Of Charge，SOC)时正极活性物质层的厚度；h2表示钠离子电池为0％SOC时负极活性物质层的厚度。0％SOC表示钠离子电池放电完全。在不同SOC状态下正极活性物质层或负极活性物质层的厚度可能会发生变化，尤其是负极活性物质层会随着SOC的增加厚度增加。
克容量是指钠离子电池内部活性物质所能释放出的电容量与活性物质的质量之比。克容量可以用毫安时每克(mA·h/g)来表示。
本申请实施例调节正极活性物质的克容量CAP1和负极活性物质的克容量CAP2之间满足上述关系时，可以保证正极活性物质的克容量CAP1小于负极活性物质的克容量CAP2，由正极活性物质脱出的钠离子基本可以嵌入负极活性物质中，钠离子不容易积聚于负极活性物质的表面，从而能够降低钠离子在负极极片表面堆积形成金属钠造成析钠的风险，同时也可以降低因析钠而导致的金属钠可能刺破隔离膜，进而导致钠离子电池内部短路的风险，由此可以提高钠离子电池的循环性能。
并且，负极活性物质的克容量CAP2相比于正极活性物质的克容量CAP1而言，略有提高，但不会太高，例如2≤CAP2/CAP1≤3，从而可以降低由于负极活性物质的克容量CAP2过高而导致正极极片冗余能量密度降低的风险，从而能够提高钠离子电池的能量密度。
在一些实施例中，正极活性物质的克容量CAP1满足：110mAh/g≤CAP1≤160mAh/g。
正极活性物质的克容量CAP1满足上述范围时，可以提高钠离子电池的容量性能。可选地，120mAh/g≤CAP1≤155mAh/g，示例性地，CAP1可以为110mAh/g、115mAh/g、120mAh/g、125mAh/g、130mAh/g、135mAh/g、140mAh/g、150mAh/g、155mAh/g或160mAh/g；CPA1可以为上述任两个数值组成的范围。
在一些实施例中，负极活性物质的克容量CAP2满足：300mAh/g≤CAP2≤360mAh/g。
负极活性物质的克容量CAP2满足上述范围时，可以提高钠离子电池的容量性能；并且可以保证由正极活性物质脱出的钠离子基本可以嵌入负极活性物质中，提高钠离子电池的循环性能。可选地，320mAh/g≤CAP2≤355mAh/g；示例性地，CAP2可以为300mAh/g、310mAh/g、320mAh/g、325mAh/g、330mAh/g、335mAh/g、340mAh/g、345mAh/g、350mAh/g或355mAh/g；CPA2可以为上述任两个数值组成的范围。
[电解质]
电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。本申请对电解质的种类没有具体的限制，可根据需求进行选择。例如，电解质可以是液态的、凝胶态的或全固态的。
在一些实施方式中，电解质采用电解液。电解液包括电解质盐和溶剂。
在一些实施方式中，电解质盐可选自NaPF 6、NaClO 4、NaBCl 4、NaSO 3CF 3及Na(CH 3)C 6H 4SO 3中的至少一种。
在一些实施方式中，溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸亚丁酯、氟代碳酸亚乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的至少一种。
在一些实施方式中，电解液还可选地包括添加剂。例如添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂，还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂，例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
[外包装]
在一些实施例中，钠离子电池可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解质。
在一些实施例中，钠离子电池的外包可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。钠离子电池的外包装也可以是软包，例如袋式软包。软包的材质可以是塑料，作为塑料，可列举出聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚丁二酸丁二醇酯等。本申请对钠离子电池的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。例如，图1和图2是作为一个示例的方形结构的钠离子电池1。
在一些实施例中，钠离子电池1包括外包装11。外包装11包括顶盖组件111和壳体112。正极极片、负极极片和隔离膜构成电极组件12容纳于壳体112内，壳体112内还容纳有电解质。正极极片或负极极片包含极耳。在钠离子电池1充放电过程中，金属离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，主要起到防止正负极短路的作用，同时可以使活性离子通过。具体地，该钠离子电池1可以为卷绕式或叠片式的电池，但并不局限于此。
可选地，壳体112可包括底板和连接于底板上的侧板，底板和侧板围合形成容纳腔。壳体112具有与容纳腔连通的开口，顶盖组件111能够盖设于开口，以封闭容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件12。电极组件12封装于容纳腔内。电解液浸润于电极组件12中。钠离子电池1所含电极组件12的数量可以为一个或多个，本领域技术人员可根据具体实际需求进行选择。
在一些实施例中，钠离子电池1可以组装成电池。电池可以为电池模块或电池包括。例如，电池模块所含钠离子电池1的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量进行选择。
图3是作为一个示例的电池模块10。参照图3，在电池模块10中，多个钠离子电池1可以是沿电池模块10的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个钠离子电池1进行固定。可选地，电池模块10还可以包括具有容纳空间的外壳，多个钠离子电池1容纳于该容纳空间。
在一些实施例中，上述电池模块10还可以组装成电池包，电池包所含电池模块10的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池包的应用和容量 进行选择。当然，电池包也可以由多个钠离子电池1直接组成。
图4和图5是作为一个示例的电池包20。参照图4和图5，在电池包20中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块10。电池箱包括上箱体21和下箱体22，上箱体21能够盖设于下箱体22，并形成用于容纳电池模块10的封闭空间。多个电池模块10可以按照任意的方式排布于电池箱中。
另外，本申请还提供一种用电装置，用电装置包括本申请提供的钠离子电池、电池模块、或电池包中的至少一种。所述钠离子电池、电池模块、或电池包可以用作所述用电装置的电源，也可以用作所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以包括移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等，但不限于此。作为所述用电装置，可以根据其使用需求来选择钠离子电池、电池模块或电池包。
图6是作为一个示例的用电装置30。该用电装置30为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置30对钠离子电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包或电池模块。作为另一个示例的装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该装置通常要求轻薄化，可以采用钠离子电池作为电源。
实施例
以下，说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
1、正极极片的制备
采用厚度为10μm的铝箔作为正极集流体。
将正极活性物质Na 2MnFe(CN) 6、导电剂Super P、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比96：2.5：1.5进行混合，加入至溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，在真空搅拌机作用下搅拌均匀，获得正极浆料。该浆料中的固体含量为60重量％。
将如上所述制备的正极浆料涂覆在厚度为8μm的铝箔上，经烘干等工序后，得到正极极片。
正极极片的孔隙率测试过程如下：将正极极片裁取为30片直径为14mm的小圆片，基于气体吸附的原理，使用氦气作为介质，采用美国Micromeritics公司的AccuPyc II 1340型全自动真密度测试仪测试30片小圆片的真体积，然后根据小圆片的面积、厚度和数量计算得到的正极极片表观体积与真体积的关系，计算得到孔隙率。
2、负极极片的制备
采用厚度为6μm的铜箔作为正极集流体。
将负极活性物质、导电剂Super P、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC))、粘结剂丁苯橡胶乳液(SBR))按照质量比97:0.7:1.8:0.5进行混合，加入至溶剂去离子水 中，在真空搅拌机作用下搅拌均匀，获得负极浆料。该负极浆料中的固体含量为56重量％。
将如上所述制备的负极浆料涂覆在厚度为8μm的铜箔上，经烘干等工序后，得到负极极片。
负极极片的孔隙率测试过程如下：将负极极片裁取为30片直径为14mm的小圆片，基于气体吸附的原理，使用氦气作为介质，采用美国Micromeritics公司的AccuPyc II 1340型全自动真密度测试仪测试30片小圆片的真体积，然后根据小圆片的面积、厚度和数量计算得到的负极极片表观体积与真体积的关系，计算得到孔隙率。
3、电解质的制备
在含水量<10ppm的氩气气氛手套箱中，将充分干燥的钠盐(NaPF 6)溶解在体积比为20：20：60的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂中，然后加入添加剂碳酸亚乙烯酯(VC)，混合均匀，获得电解液。其中，钠盐的浓度为1mol/L。
4、隔离膜的制备
以厚度为7μm的聚乙烯膜(PE)作为隔离膜的基膜，将重量比93％：3％：4％的氧化铝、羧甲基纤维素钠(CMC)和丙烯酸酯加入至去离子水中，在真空搅拌机作用下搅拌均匀，获得浆料。该浆料中的固体含量为55重量％。将得到的浆料以单面2μm的厚度均匀喷涂在基膜的两面上，获得隔离膜。
隔离膜的孔隙率测试过程如下：将隔离膜裁取为30片直径为14mm的小圆片，基于气体吸附的原理，使用氦气作为介质，采用美国Micromeritics公司的AccuPyc II 1340型全自动真密度测试仪测试30片小圆片的真体积，然后根据小圆片的面积、厚度和数量计算得到的隔离膜表观体积与真体积的关系，计算得到孔隙率。
5、钠离子电池的制备
将正极极片、隔离膜(PP/PE/PP复合薄膜)、负极极片依次层叠设置，包裹于铝塑膜中组成叠片式电芯，于60℃下将上述电解液0.3g注入到电芯中，将铝塑膜进行真空热压封装，于60℃下静置至少6小时候，降温至30℃，并于30℃下静置至少6小时至电解质固化，之后经过热冷压、化成等工序，得到钠离子电池。
实施例2至实施例12
与实施例1不同的是，实施例2至实施例12的正极活性物质层、负极活性物质层和隔离膜的孔隙率中的至少一者与实施例1不同。
实施例13至实施例21
与实施例1不同的是，实施例13至实施例21的正极活性物质层的压实密度和负极活性物质层的压实密度中的至少一者与实施例1不同。
实施例22至实施例26
与实施例1不同的是，实施例22至实施例26的正极活性物质层的压实密度、克容量和厚度、负极活性物质层的压实密度、克容量和厚度中的至少一者与实施例1不同。
实施例27至实施例31
与实施例1不同的是，实施例27至实施例31的负极活性物质层中的负极活性物质的粒度不同。
对比例1
与实施例1不同的是，正极活性物质层、负极活性物质层和隔离膜的孔隙率不同。
实施例1至实施例31和对比例1的各物质和相关参数如表1至表3所示。
表1
表2
表2中正极活性物质层的厚度h1表示钠离子电池为0％荷电状态(State Of Charge，SOC)时正极活性物质层的厚度。负极活性物质层的厚度h2表示钠离子电池为0％荷电状态(State Of Charge，SOC)时负极活性物质层的厚度。
表3
上述实施例的负极活性物质的粒径分布(D V90-D V10)/D V50的调节过程如下：采用生物质前驱体麦秸作为原料，首先在空气环境下，于200℃的高温炉内对前驱体加热5h，进行第一次干燥，以期除去前驱体内部的水分。待冷却后粉碎，然后将粉碎后的材料放置在无氧环境下，于1600℃下烘烤5小时，冷却后采用研磨机器用球磨机进行球磨粉碎，球磨4个小时，即可得到期望粒径分布的硬碳，其中，球磨珠粒径分别为50mm、20mm、5mm，上述球磨珠的数量比例约为5：30：55。
测试部分
正极活性物质层、负极活性物质层和隔离膜的孔隙率的测试
参照GB/T 24586-2009孔隙率测试方法，测试方法如下：将装有样品的样品杯，置于真密度测试仪，密闭测试系统，通入氦气，通过检测样品室和膨胀室中的气体的压力，再根据玻尔定律(PV＝nRT)来计算真实体积，从而得到待测样品的孔隙率。
正极活性物质层、负极活性物质层的压实密度的测试方法
在25℃下，将钠离子电池用0.1C电流放电到0％SOC，然后把钠离子电池拆解将正极极片、负极极片和隔离膜分离。拆解后的极片在60℃鼓风干燥箱内放置60min，将极片上的电解液挥发干净，然后把极片取出来降至室温后用无水乙醇浸泡极片30min，将极片上残留的电解液洗掉，然后继续在60℃鼓风干燥箱内放置60min，得到干极片。用扣电极片冲切器冲出直径14mm的小圆片，小圆片面积为S，称取小圆片的重量W1，集流体的重量W2，用万分尺测量极片的厚度H1，集流体的厚度H2。
极片的压实密度PD＝(W1-W2)/((H1-H2)*S)，单位g/cm 3。
钠离子电池为0％SOC时活性物质的厚度的测定
钠离子电池为0％SOC时，取正极极片或负极极片为样品，采用万分尺沿极片的厚度方向测量至少12个不同位置的极片厚度，然后取平均值；采用平均值减去集流体的厚度即得到活性物质的厚度。
负极活性物质的Dv10、Dv50和Dv90的测量
使用激光衍射粒度分布测量仪(Malvern Mastersizer 3000)，依据粒度分布激光衍射法GB/T19077-2016，测量出粒径分布，得到Dv10、Dv90、Dv50，并计算出(Dv90-Dv10)/Dv50。
以Dv50测试为例进行说明，具体地，负极活性物质的Dv50的测试方法如下：(1)样品前处理：取一洁净烧杯，加入适量待测样品，滴加表面活性剂十二烷基硫酸钠后添加去离子水作为分散剂，并进行超声处理(120W/5min)，确保样品在分散剂中完全分散。(2)测试过程：使用LS-909激光粒度仪(欧美克)进行Dv50的测量。样品倒入进样塔后随溶液循环到测试光路系统，对颗粒在激光束的照射下发出的散射光加以接受，并测量其能量分布，可以得出颗粒的粒度分布特征(遮光度：8～12％)，最终得到材料的Dv50数值。
钠离子电池的循环圈数的测量
在25℃下在0.5C/0.5C的条件下评价包括钠离子电池的循环性能。
具体地，以0.5C的倍率恒流恒压对钠离子电池充电，充电至充电截止电压3.75V，静置5分钟后以0.5的倍率下恒流放电至放电截止电压2V，记录放电容量，再静置5分钟，如此循环。记录放电容量保持在初始容量的80％以上的循环圈数。
钠离子电池的60s脉冲放电功率的测量
在25℃下，以0.5C的倍率恒流恒压对钠离子电池充电，充电至充电截止电压3.75V，静置5分钟后以特定的功率放电，确保在60s时电池的电压正好达到2V停止放电，此时的功率为60s脉冲放电功率。
通过测量钠离子电池的60s脉冲放电功率，可以确定电池的功率性能。
测试结果
本申请在改善钠离子电池的充放电性能和能量密度的作用如表4至表6所示。
表4
钠离子电池循环圈数 钠离子电池功率性能/W
实施例1 3450 529.82
实施例2 3340 512.93
实施例3 3360 516.00
实施例4 3300 506.78
实施例5 3100 476.07
实施例6 3150 483.75
实施例7 3055 469.09
实施例8 2920 448.41
实施例9 2381 365.70
实施例10 2240 344.00
实施例11 1588 243.93
实施例12 1344 206.40
对比例1 845 129.77
由表4可知，对比例1、实施例1至实施例12采用不同孔隙率的正极活性物质 层、负极活性物质层和隔离膜，在钠离子充放电过程中可以调控钠离子的迁移速度，在0≤(β-α)/γ≤1.5，且α≤γ；尤其是0.4≤(β-α)/γ≤1.5时，钠离子的迁移速度较快，钠离子的充放电功率较高。
表5
钠离子电池循环圈数 钠离子电池功率性能/W
实施例1 3450 529.82
实施例13 3725 572.05
实施例14 3990 612.75
实施例15 4260 654.21
实施例16 4435 681.09
实施例17 4300 660.36
实施例18 4100 629.64
实施例19 3890 597.39
实施例20 3300 506.80
实施例21 3380 519.07
实施例22 3670 563.61
实施例23 3790 582.04
实施例24 3900 598.93
实施例25 3542 543.95
实施例26 3345 513.70
由表5可知，实施例1、实施例13至实施例21对正极活性物质层的压实密度PD1和负极活性物质层的压实密度PD2进行调控，在0.44≤PD1/PD2≤2.3，尤其是1.2≤PD1/PD2≤1.5时，正极活性物质层和负极活性物质层的动力学性能相匹配，从活性物质脱出的钠离子可以充分嵌入极性相反的活性物质中，降低浓度极化带来的不利影响，且可以提高钠离子电池的充放电功率。
实施例23至实施例26同时对活性物质层的压实密度、克容量和厚度进行调控，以调节钠离子电池的性能。
当 且 时，钠离子电池的性能较为优良。
表6
钠离子电池循环圈数 钠离子电池功率性能/W
实施例1 3450 529.82
实施例27 3500 537.50
实施例28 3560 546.71
实施例29 3690 566.75
实施例30 3460 531.40
实施例31 3386 520.00
由表6可知，实施例1、实施例27至实施例31对负极活性物质的粒度及粒 度分布进行调控，尤其是0.5≤(D V90-D V10)/D V50≤2时，可以保证钠离子在负极活性物质的各处的迁移速度基本一致，迁移路径相近，从而使得钠离子可以均匀嵌入负极活性物质中，从而降低浓差极化的风险。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (12)

  1. 一种钠离子电池，包括：
    正极极片，包括正极集流体和设置于所述正极集流体的至少一个表面的正极活性物质层；
    负极极片，包括负极集流体和设置于所述负极集流体的至少一个表面的负极活性物质层；以及
    隔离膜，设置于所述正极极片和所述负极极片之间，
    其中，所述正极活性物质层的孔隙率α、所述负极活性物质层的孔隙率β和所述隔离膜的孔隙率γ之间满足：0≤(β-α)/γ≤1.5，且α≤γ。
  2. 根据权利要求1所述的钠离子电池，其中，
    0.4≤(β-α)/γ≤1.0。
  3. 根据权利要求1或2所述的钠离子电池，其中，
    所述正极活性物质层的孔隙率α满足：20％≤α≤40％，可选地，28％≤α≤38％；和/或
    所述负极活性物质层的孔隙率β满足：40％≤β≤66％，可选地，45％≤β≤58％；和/或
    所述隔离膜的孔隙率γ满足：30％≤γ≤55％，可选地，33％≤γ≤50％。
  4. 根据权利要求1至3中任一项所述的钠离子电池，其中，
    所述正极活性物质层的压实密度PD1和所述负极活性物质层的压实密度PD2之间满足：0.44≤PD1/PD2≤2.3；
    可选地，所述正极活性物质层的压实密度PD1满足：0.8≤PD1≤1.7，可选地，0.9≤PD1≤1.6，进一步可选地，1.1≤PD1≤1.5；和/或
    所述负极活性物质层的压实密度PD2满足：0.7≤PD2≤1.8，可选地，0.8≤PD2≤1.3，进一步可选地，0.9≤PD2≤1.0。
  5. 根据权利要求4所述的钠离子电池，其中，
    所述正极活性物质层包括正极活性物质，所述负极活性物质层包括负极活性物质，其中，所述正极活性物质的克容量CAP1和所述负极活性物质的克容量CAP2之间满足：
    且
    其中，h1表示所述钠离子电池为0％SOC时所述正极活性物质层的厚度；h2表示所述钠离子电池为0％SOC时所述负极活性物质层的厚度；
    可选地，所述正极活性物质的克容量CAP1满足：110mAh/g≤CAP1≤160mAh/g，进一步可选地，120mAh/g≤CAP1≤155mAh/g；和/或
    所述负极活性物质的克容量CAP2满足：300mAh/g≤CAP2≤360mAh/g，进一步可选 地，320mAh/g≤CAP2≤355mAh/g。
  6. 根据权利要求1至5中任一项所述的钠离子电池，其中，
    所述负极活性物质层包括负极活性物质，所述负极活性物质包括人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钠合金中的一种或多种；
    可选地，所述负极活性物质包括硬碳。
  7. 根据权利要求1至6中任一项所述的钠离子电池，其中，
    所述负极活性物质层包括负极活性物质，所述负极活性物质的粒径分布满足：0.5≤(D V90-D V10)/D V50≤2；
    可选地，1μm≤D V50≤20μm，进一步可选地，5μm≤D V50≤15μm。
  8. 根据权利要求1至7中任一项所述的钠离子电池，其中，
    所述正极活性物质层包括分子式为Na 2MFe(CN) 6的正极活性物质，M包括Mg、K、Ca、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu和Zn中的一种或多种，且M和Fe的摩尔比满足0.95～1.05。
  9. 根据权利要求1至8中任一项所述的钠离子电池，其中，
    所述隔离膜的厚度满足5μm～15μm，可选为7μm～13μm。
  10. 一种电池模块，包括如权利要求1至9中任一项所述的钠离子电池。
  11. 一种电池包，包括如权利要求10所述的电池模块。
  12. 一种用电装置，包括如权利要求1至9中任一项所述的钠离子电池、如权利要求10所述的电池模块或如权利要求11所述的电池包。
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