CN117727949A - 负极集流体及其制备方法、钠二次电池、用电设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了负极集流体及其制备方法、钠二次电池、用电设备，所述负极集流体包括基材；功能层，所述功能层设置在所述基材的至少一侧，所述功能层包括改性碳材料，所述改性碳材料包括碳主材和双功能添加剂，所述双功能添加剂分散在所述碳主材中，所述双功能添加剂包括R1‑R2‑Na，其中，R1包括烷基、氢原子、芳香基中的至少一种，R2包括羧基、羰基、氧原子中的至少一种。
Description
技术领域
本申请涉及电池领域，具体地，涉及负极集流体及其制备方法、钠二次电池、用电设备。
背景技术
由于钠资源丰富，钠离子电池已经被视为锂电在低成本领域的重要补充。然而，钠离子电池当前的整体能量密度较小，远低于锂离子电池。由于金属钠的理论比容量较高，采用金属钠作为负极是提高能量密度的有效方案。无负极钠电在首次充放电时，会在负极集流体上沉积形成金属钠，沉积过程中，钠沉积不均匀，容易在负极集流体表面无序生长钠枝晶，增加破坏电解质界面膜的风险，降低电池的循环寿命。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
在本申请的一个方面，提出了一种负极集流体，所述负极集流体包括基材；功能层，所述功能层设置在所述基材的至少一侧，所述功能层包括改性碳材料，所述改性碳材料包括碳主材和双功能添加剂，所述双功能添加剂分散在所述碳主材中，所述双功能添加剂包括R1-R2-Na，其中，R1包括烷基、氢原子、芳香基中的至少一种，R2包括羧基、羰基、氧原子中的至少一种。由此，双功能添加剂同时具有亲钠能力和补钠能力，可以降低钠沉积的形核过电位，提高钠沉积的均匀性，同时，可在正负极之间可逆存储的钠离子总量减少时，发挥补钠效果，提高电池的库伦效率和循环寿命。
可选的，R1包括1-3个碳原子的烷基，R2包括羧基或氧原子中的至少一种。由此，提高双功能添加剂在溶剂中的溶解效果，提高双功能添加剂的利用率，从而降低双功能添加剂的成本。
可选的，所述碳主材和所述双功能添加剂之间具有C-Na离子键和C-O-C共价键中的至少一种。由此，碳主材和双功能添加剂之间具有较强的分子间作用力，可以提高双功能添加剂在碳主材中的附着力，降低充放电过程中双功能添加剂发生脱落风险。
可选的，所述功能层的厚度为0.2μm-10μm。由此，增加负极集流体上补钠、亲钠位点，提高双功能添加剂的补钠和亲钠效果，提高电池的库伦效率和循环寿命。
可选的，基于所述功能层的总质量，所述改性碳材料的质量占比为70%-99%。改性碳材料通过嵌入和吸附的方式储存钠离子，该预钠化行为有利于降低钠沉积的形核过电位，提高负极集流体的亲钠能力，提高补钠效果，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。
可选的，所述改性碳材料中，所述碳主材的质量占比50%-98%，所述双功能添加剂的质量占比为2%-50%。由此，碳主材为双功能添加剂提供均匀稳定的负载位点，通过使碳主材和双功能添加剂的含量在上述范围，可在功能层上形成更多的双功能添加剂的负载位点，提高双功能添加剂在碳主材中附着力，同时提高双功能添加剂的亲钠和补钠效果，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。
可选的，所述碳主材包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
可选的，所述双功能添加剂包括甲酸钠、乙酸钠、苯甲酸钠中的至少一种。由此，上述种类的双功能添加剂同时具有补钠和亲钠能力，从而提高钠沉积的均匀性，正负极之间可逆存储的钠离子总量减少时，可发挥补钠效果，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。
可选的，所述功能层还包括粘结剂，基于所述功能层的总质量，所述粘结剂的质量占比为1%-30%。由此，提高功能层和基材之间的粘结力。
本申请第二方面提供了一种制备本申请第一方面的负极集流体的方法，包括：在基材的至少一侧形成功能层，所述功能层包括碳材料和双功能添加剂，所述功能层包括改性碳材料，所述改性碳材料包括碳主材和双功能添加剂，所述双功能添加剂分散在所述碳主材中，所述双功能添加剂包括R1-R2-Na，其中，R1包括烷基、氢原子、芳香基中的至少一种，R2包括羧基、羰基、氧原子中的至少一种。由此，该方法可提高负极集流体的亲钠能力和补钠能力，从而提高负极集流体钠沉积的均匀性，降低产生钠枝晶的风险，同时，正负极之间可逆存储的钠离子总量减少时，还可以发挥补钠效果，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。
可选的，形成所述功能层的方法包括：将所述碳主材和所述双功能添加剂混合，热处理，以获得改性碳材料；将所述改性碳材料与溶剂混合形成浆料，形成于所述基材的至少一侧，干燥，以获得所述功能层。由此，在碳主材和双功能添加剂之间形成较强的分子间作用力，提高双功能添加剂在碳主材中的附着力，降低充放电过程中双功能添加剂发生脱落的风险。
可选的，所述热处理的温度为50℃-250℃，所述热处理的时间为0.1h-24h。由此，通过热处理可以在碳主材和双功能添加剂之间形成C-Na离子键和C-O-C共价键，提高双功能添加剂在碳主材中的附着力，降低双功能添加剂发生热分解的概率。
可选的，将所述改性碳材料、粘结剂和所述溶剂混合。由此，提高功能层和基材之间的粘结力。
本申请第三方面提供了一种钠二次电池，包括本申请第一方面提供的负极集流体或本申请第二方面提供的方法制备的负极集流体，所述钠二次电池在首次充放电后在功能层远离基材的一侧沉积形成金属钠。由此，可以提高钠二次电池的库伦效率和循环寿命。
本申请第四方面提供了一种用电设备，包括本申请第三方面提供的钠二次电池。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了本申请一个实施例的负极集流体的结构示意图。
图2显示了本申请一个实施例的制备负极集流体的流程示意图。
附图标记：
10：负极集流体；11：基材；12：功能层。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例。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。
在本申请的一个方面，提供了一种负极集流体，参考图1，所述负极集流体10包括基材11；功能层12，所述功能层12设置在所述基材11的至少一侧，所述功能层12包括改性碳材料，所述改性碳材料包括碳主材和双功能添加剂，所述双功能添加剂分散在所述碳主材中，所述双功能添加剂包括R1-R2-Na，其中，R1包括烷基、氢原子、芳香基中的至少一种，R2包括羧基、羰基、氧原子中的至少一种。由此，双功能添加剂同时具有亲钠能力和补钠能力，可以降低钠沉积的形核过电位，提高钠沉积的均匀性，同时，可在正负极之间可逆存储的钠离子总量减少时，发挥补钠效果，提高电池的库伦效率和循环寿命。
下面对本申请能够实现上述有益效果的原理进行详细说明：
本申请提出的负极集流体10上包括功能层12，功能层12包括双功能添加剂R1-R2-Na，其中，R2基团具有一定的吸电子能力，与钠离子之间存在较强的静电作用，可以在钠沉积的过程中提高钠沉积形成的金属层与功能层12之间的结合力，降低钠沉积的形核过电位以及极化电势，提高钠沉积的均匀性和致密性，降低产生钠枝晶的概率，降低隔膜被钠枝晶刺穿导致电池短路的风险，提高电池的循环寿命；同时，正负极之间可逆存储的钠离子总量减少时，双功能添加剂中的Na组分可以发挥补钠能力，提高电池的库伦效率。为了在基材11表面提供均匀、稳定的双功能添加剂的负载位点，将双功能添加剂分散在碳主材中，降低双功能添加剂发生团聚的概率，从而可以提高双功能添加剂在功能层12分布的均匀性，进一步提高钠沉积的均匀性。与此同时，改性碳材料可以通过嵌入和吸附的方式储存钠离子进行预钠化，从而有利于降低钠沉积的形核过电位，提高负极集流体的亲钠能力，提高补钠效果，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。
根据本申请的一些实施例，R1可以包括1-3个碳原子的烷基，R2可以包括羧基或氧原子中的至少一种。由此，提高双功能添加剂在溶剂中的溶解度，提高双功能添加剂的利用率，从而降低双功能添加剂的成本。根据本申请的一些具体实施例，所述双功能添加剂包括甲酸钠、乙酸钠、苯甲酸钠中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，功能层12设置在基材11的至少一个表面。
根据本申请的一些实施例，基于所述功能层12的总质量，所述改性碳材料的质量占比可以为70%-99%。例如，可以为70%、75%、80%、85%、90%、95%或99%等，或可以为上述任意数值组成的范围。改性碳材料通过嵌入和吸附的方式储存钠离子，该预钠化行为有利于降低钠沉积的形核过电位，提高双功能添加剂的亲钠和补钠效果，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。如果改性碳材料的质量占比过小，则过多不导电的粘结剂会阻碍功能涂层中的电子/离子传输，影响钠沉积/剥离过程。
根据本申请的一些实施例，所述改性碳材料中，所述碳主材的质量占比可以为50%-98%，所述双功能添加剂的质量占比可以为2%-50%。
具体地，所述碳主材的质量占比可以为50%、60%、70%、80%、90%或98%等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，通过使碳主材的质量占比在上述范围，可以在基材11表面为双功能添加剂提供更多、更均匀、更稳定的负载位点，从而提高双功能添加剂在功能层12分布的均匀性，提高功能层12各区域亲钠能力的均一性，进而提高钠沉积的均匀性，提高电池的循环寿命。如果碳主材的含量过多，则过少的添加剂不足以在改性碳材料中形成亲钠位点，钠形核过电位偏高；如果碳主材的含量过少，则过多不导电的添加剂会阻碍改性碳材料的电子传输，降低钠沉积/剥离过程的可逆性。
具体地，所述双功能添加剂的质量占比可以为2%、10%、20%、30%、40%或50%等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，使双功能添加剂在功能层均匀分布的基础上，可以进一步提高负极集流体10的亲钠能力和补钠能力，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。如果双功能添加剂的含量过少，不足以在改性碳材料中形成亲钠位点，钠形核过电位偏高；如果不导电的双功能添加剂的含量过多，则会阻碍改性碳材料的电子传输，降低钠沉积/剥离过程的可逆性。
根据本申请的一些实施例，所述双功能添加剂的平均粒径为5nm-100nm。例如，可以为5nm、10nm、30nm、50nm、70nm、90nm或100nm等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，双功能添加剂的平均粒径较小，有利于双功能添加剂在功能层中均匀分布，从而提高双功能添加剂在功能层12分布的均匀性，从而提高功能层12各区域的亲钠能力的均一性，提高钠沉积的均匀性，降低局部产生钠枝晶的概率，降低隔膜被刺穿发生短路的风险，进而提高电池的循环寿命。如果双功能添加剂的平均粒径过大，会在一定程度上降低双功能添加剂在功能层分布的均匀性。
根据本申请的一些实施例，所述碳主材可以包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，所述功能层12还可以包括粘结剂，基于所述功能层12的总质量，所述粘结剂的质量占比为1%-30%。由此，粘结剂可以提高功能层12和基材11之间的结合力，降低功能层12发生脱落的风险。
具体地，所述粘结剂的质量占比可以为1%、5%、10%、15%、20%、25%或30%等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，通过使粘结剂的质量占比在上述范围，在提高功能层12和基材11之间的粘结力的同时，降低粘结剂对功能层12导电性的影响。如果粘结剂的含量过多，则过多不导电的粘结剂会阻碍功能涂层中的电子/离子传输，影响钠沉积/剥离过程。
作为示例，粘结剂可以包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈、聚酰亚胺、羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、丁苯橡胶、聚丙烯酸钠、海藻酸钠、聚四氟乙烯、聚乙烯醇中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，所述功能层12的厚度可以为0.2μm-10μm。例如，可以为0.2μm、1μm、3μm、5μm、7μm、9μm或10μm等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，通过使功能层12的厚度在上述范围，可以增加亲钠、补钠位点的数量，从而提高钠沉积的均匀性。同时，提高电解液在负极集流体10上的传输速率，提高电解液对负极集流体10的浸润性。通过使功能层12的厚度在上述范围，还可以降低因功能层12太厚而发生功能层12脱落的风险。如果功能层的厚度过小，基材表面的亲钠、补钠位点的数量较少，会在一定程度上影响双功能添加剂的亲钠、补钠效果，进而影响钠沉积的均匀性；如果功能层的厚度过大，即功能层表面至基材表面的距离较大，会增加电子/离子传输距离，影响电池的倍率性能；而且，功能层的厚度过大，会在一定程度上降低功能层和基材之间的结合力，增加了功能层发生脱落和电解液浸润性差的风险。
本申请第二方面提供了一种制备本申请第一方面的负极集流体10的方法，包括：在基材11的至少一侧形成功能层12，所述功能层12包括碳材料和双功能添加剂，所述功能层12包括改性碳材料，所述改性碳材料包括碳主材和双功能添加剂，所述双功能添加剂分散在所述碳主材中，所述双功能添加剂包括R1-R2-Na，其中，R1包括烷基、氢、芳香基中的至少一种，R2包括羧基、羰基、氧中的至少一种。由此，该方法可提高负极集流体10的亲钠能力和补钠能力，从而提高负极集流体10钠沉积的均匀性，降低产生钠枝晶的风险，同时，正负极之间可逆存储的钠离子总量减少时，还可以发挥补钠效果，进而提高电池的库伦效率和循环寿命。
根据本申请的一些实施例，参考图2，该方法可以包括：
S100：形成改性碳材料
具体地，将所述碳主材和所述双功能添加剂混合，热处理，以获得改性碳材料。
根据本申请的一些实施例，所述热处理的温度可以为50℃-250℃，例如，可以为50℃、100℃、150℃、200℃或250℃等，或可以为上述任意数值组成的范围；所述热处理的时间可以为0.1h-24h，例如，可以为0.1h、1h、5h、10h、15h、20h或24h等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，通过对所述碳主材和所述双功能添加剂进行热处理，碳主材和双功能添加剂之间可以形成较强的C-Na离子键、C-O-C共价键，从而可以提高双功能添加剂在碳主材中的附着力，降低充放电过程中双功能添加剂发生脱落风险。通过使热处理的温度和时间在上述范围，还可以降低双功能添加剂发生热分解的概率，提高双功能添加剂的稳定性。如果热处理的温度过低或时间过短，所述碳主材和所述双功能添加剂之间的作用力较弱，会在一定程度上减小所述双功能添加剂在所述碳主材中的附着力，增加所述双功能添加剂在所述碳主材中脱落的风险；如果热处理的温度过高或时间过长，会在一定程度上增加双功能添加剂发生分解的概率。
根据本申请的一些实施例，所述热处理的温度可以为80℃-200℃。
S200：将改性碳材料与溶剂混合形成浆料，形成在基材11的至少一侧，干燥，以获得功能层12。
根据本申请的一些实施例，溶剂可以为N-甲基吡咯烷酮或去离子水。
根据本申请的一些实施例，可以将浆料涂布于基材11的至少一个表面，经烘烤、辊压得到负极集流体10。
作为示例，涂布的方式包括转移涂布、挤压涂布或凹版涂布中的至少一种。
作为示例，当钠二次电池为钠金属电池时，负极集流体10的基材11可以为钠金属。
作为示例，当钠二次电池为无负极钠电池时，负极集流体10的基材11可以为金属箔材、多孔金属板、多孔碳材料或复合集流体。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11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11（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11上而形成。
根据本申请的一些具体实施例，负极集流体10的基材11可以为铝。
作为示例，形成浆料的过程中可通过机械搅拌或球磨搅拌，以提高浆料的均匀性。
根据本申请的一些实施例，还可以将所述改性碳材料、粘结剂和所述溶剂混合形成浆料。由此，提高功能层12和基材11之间的粘结力。
本申请第三方面提供了一种钠二次电池，包括本申请第一方面提供的负极集流体10或本申请第二方面提供的方法制备的负极集流体10，所述钠二次电池在首次充放电后在功能层12远离基材11的一侧沉积形成金属钠。由此，可以提高钠二次电池的库伦效率和循环寿命。
作为示例，钠二次电池可以为钠金属电池或无负极钠电池。
根据本申请的一些实施例，钠二次电池还包括正极极片和隔膜，隔膜设置在正极极片和负极集流体之间。
正极极片包括正极集流体和形成在正极集流体上的正极活性材料层，正极活性材料层包括正极活性物质、正极粘结剂和正极导电剂。在本申请的实施例中，正极集流体可以采用具有良好导电性及机械强度的材质，优选为铝箔。
在本申请的实施例中，正极活性物质的具体种类均不受特别限定，本领域人员可根据实际需求进行选择，作为一些具体示例，正极活性物质包括磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、磷酸铁钠、焦磷酸铁钠和复合磷酸铁钠中的至少一种。
在本申请的实施例中，正极导电剂的具体种类并不受特别限定，本领域人员可根据实际需求进行选择，作为一些具体示例，正极导电剂包括石墨、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。
同样地，正极粘结剂的具体种类并不受特别限定，本领域人员可根据实际需求进行选择，作为一些具体示例，正极粘结剂包括聚偏氟乙烯（PVDF）及聚四氟乙烯（PTFE）中的至少一种。
正极极片的制备方法包括：按照预设比例将正极活性物质、正极粘结剂和正极导电剂混合均匀，加入溶剂搅拌均匀形成正极浆料，然后涂布到集流体上，烘干，最后根据电池外壳的不同，切成特定形状的正极极片备用。
本申请第四方面提供了一种用电设备，包括本申请第三方面提供的钠二次电池。
具体地，上述用电设备可以为但不限于手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。其中，电动玩具可以包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等。
下面详细描述本申请的实施例，需要说明的是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。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
1、制备负极集流体
将碳纤维和甲酸钠按照质量比80：20混合，加热到150℃，加热时间5 h，以得到改性碳材料。
将改性碳材料和粘结剂按照质量比70：30与溶剂N-甲基吡咯烷酮混合，搅拌成均匀的浆料，浆料固含量为3%，使用涂布机将浆料涂布在铝箔上，并在烘箱中烘干，通过辊压机对集流体进行冷压得到功能层，功能层厚度为1μm。
2、制备正极极片
将活性材料(磷酸钒钠)、导电剂(科琴黑)、粘结剂(PVDF)按照质量比为90:3:7的比例在搅拌装置中混合均匀，再加入一定量溶剂（氮甲基吡咯烷酮）后搅拌形成均匀的浆料，浆料固含量为40%，使用涂布机将浆料涂布在正极集流体铝箔上烘干、冷压，以得到正极极片。
3、配制电解液
在氩气保护的手套箱中，取1L的二乙二醇二甲醚于容量瓶中；称取168 g六氟磷酸钠，溶于上述溶剂中；充分搅拌至钠盐完全溶解，即获得所需电解液。
4、隔膜
以16μm的聚乙烯薄膜为隔膜。
5、组装半电池
使用圆孔型切片机将正极极片、负极集流体、隔膜分别冲切成不同直径的小圆片；将负极集流体、隔膜、金属钠片按顺序放入纽扣电池壳中，且隔膜处于负极集流体和金属钠片中间，加上上述电解液，组装成纽扣半电池。
6、组装全电池
将正极极片、隔膜、负极集流体按顺序叠放，且隔膜处于正极极片和负极集流体中间，加上上述电解液，组装成全电池。
实施例2-实施例20、对比例1-对比例4中的电池的制备方法同实施例1，区别详见表1。
性能测试
1、极化电势和形核过电位的测试方法
在电池充放电测试仪上对半电池进行恒流充放电测试；充放电电流均设置为2mA/cm2，放电截止容量设置为2 mAh/cm2，充电截止电压设置为1.5 V；绘制电池的第10圈充放电曲线，读取其钠形核过电位，即为负极集流体钠沉积形核过电位；绘制电池的第10圈充放电曲线，计算其充放电极化电势，即为负极集流体的极化电势。
2、首次放电比容量的测试方法
在电池充放电测试仪上对全电池进行恒流充放电测试；基于正极活性物质质量，充放电电流密度设置为100 mA/g，充放电电压范围设置为2.5V-3.8V。第1圈的放电比容量即为电池首次放电比容量。
3、100圈循环容量保持率的测试方法
在电池充放电测试仪上对全电池进行恒流充放电测试；基于正极活性物质质量，充放电电流密度设置为100 mA/g，充放电电压范围设置为2.5V-3.8V。第100圈/第1圈放电比容量的比值即为100圈循环容量保持率。
4、100圈平均库伦效率的测试方法
在电池充放电测试仪上对全电池进行恒流充放电测试；基于正极活性物质质量，充放电电流密度设置为100 mA/g，充放电电压范围设置为2.5V-3.8V。第1圈至第100圈库伦效率的平均值即为100圈平均库伦效率。
5、功能层厚度的测试方法
取上述实施例使用的光箔，使用测厚仪测量其厚度（T0）；取上述实施例制备得到的双面涂布功能涂层的负极集流体，使用测厚仪测量其厚度（T1）；则功能层厚度的T2=(T1-T0)/2。
实施例1-实施例20、对比例1-对比例4中的电池的测试结果见表2。
由表1和表2可以看出，实施例1-实施例20中的负极集流体的功能层上均包括改性碳材料，改性碳材料中包括碳主材和双功能添加剂，对比例1的负极集流体上未设置有功能层，对比例2中的负极集流体上具有功能层，但功能层仅包括碳主材和粘结剂，对比例3中的负极集流体上具有功能层，但功能层仅包括双功能添加剂和粘结剂，对比例4中的负极集流体上具有功能层，但功能层上的添加剂与本申请提出的双功能添加剂的种类不同。由测试结果可知，实施例1-实施例20中钠沉积的形核过电位和极化电势低于对比例1-对比例4，实施例1-实施例20中电池的首次放电比容量、循环容量保持率和库伦效率均高于对比例1-对比例4。可见，本申请通过在功能层上设置同时包括碳主材和双功能添加剂的改性碳材料，可以降低钠沉积的形核过电位，提高电池的首次放电比容量和循环容量保持率，进而提高电池的循环寿命和库伦效率。
由实施例1-实施例3和对比例4相比可以看出，对比例4中的添加剂不具有补钠功能，所以循环容量保持率和库伦效率比实施例1-实施例3低，本申请通过在功能层中设置双功能添加剂，可以提高电池的循环寿命和库伦效率。
由实施例4-实施例8可以看出，本申请通过调整热处理的温度，可以在碳主材和双功能添加剂之间形成C-Na离子键和C-O-C共价键，提高双功能添加剂在碳主材中的附着力，降低双功能添加剂发生热分解的概率，进而提高双功能添加剂的亲钠和补钠效果，提高电池的循环寿命和库伦效率。由实施例4-实施例7和实施例8相比可以看出，当热处理温度太高时，双功能添加存在分解的风险，会在一定程度上降低电池的循环容量保持率和库伦效率。
由实施例9-实施例13可以看出，本申请通过调整功能层的厚度，可以提高负极集流体上双功能添加剂的含量，从而提高双功能添加剂的亲钠和补钠效果，提高电池的循环寿命和库伦效率。由实施例9和实施例10-实施例13相比可以看出，功能层的厚度太薄，功能层上双功能添加剂的含量较少，会在一定程度上降低电池的循环容量保持率和库伦效率。
由实施例16-实施例20可以看出，本申请通过调整双功能添加剂的含量，可以降低钠沉积的形核过电位和极化电势，提高电池的循环寿命和库伦效率。由实施例17-实施例19与实施例16相比可以看出，如果双功能添加剂的含量过少，会在一定程度上降低亲钠和补钠效果，降低电池的循环容量保持率和库伦效率；由实施例20和实施例17-实施例19相比可以看出，如果双功能添加剂的含量过多，双功能添加剂不导电，会在一定程度上增加极化电势，影响改性碳材料对电子的传输，影响钠沉积/剥离过程的可逆性。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (14)
1.一种负极集流体，其特征在于，包括：
基材；
功能层，所述功能层设置在所述基材的至少一侧，所述功能层包括改性碳材料，所述改性碳材料包括碳主材和双功能添加剂，所述双功能添加剂分散在所述碳主材中，所述双功能添加剂包括R1-R2-Na，其中，R1包括烷基、氢原子、芳香基中的至少一种，R2包括羧基、羰基、氧原子中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的负极集流体，其特征在于，R1包括1-3个碳原子的烷基，R2包括羧基或氧原子中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的负极集流体，其特征在于，所述碳主材和所述双功能添加剂之间具有C-Na离子键和C-O-C共价键中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的负极集流体，其特征在于，所述功能层的厚度为0.2μm-10μm。
5.根据权利要求4所述的负极集流体，其特征在于，基于所述功能层的总质量，所述改性碳材料的质量占比为70%-99%。
6.根据权利要求5所述的负极集流体，其特征在于，所述改性碳材料中，所述碳主材的质量占比为50%-98%，所述双功能添加剂的质量占比为2%-50%。
7.根据权利要求6所述的负极集流体，其特征在于，满足以下条件的至少之一：
所述碳主材包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯中的至少一种；
所述双功能添加剂包括甲酸钠、乙酸钠、苯甲酸钠中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的负极集流体，其特征在于，所述功能层还包括粘结剂，基于所述功能层的总质量，所述粘结剂的质量占比为1%-30%。
9.一种制备权利要求1-8任一项所述的负极集流体的方法，其特征在于，包括：
在基材的至少一侧形成功能层，所述功能层包括碳材料和双功能添加剂，所述功能层包括改性碳材料，所述改性碳材料包括碳主材和双功能添加剂，所述双功能添加剂分散在所述碳主材中，所述双功能添加剂包括R1-R2-Na，其中，R1包括烷基、氢原子、芳香基中的至少一种，R2包括羧基、羰基、氧原子中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，形成所述功能层的方法包括：
将所述碳主材和所述双功能添加剂混合，热处理，以获得改性碳材料；
将所述改性碳材料与溶剂混合形成浆料，形成于所述基材的至少一侧，干燥，以获得所述功能层。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度为50℃-250℃，所述热处理的时间为0.1h-24h。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述改性碳材料、粘结剂和所述溶剂混合。
13.一种钠二次电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的负极集流体或权利要求9-12任一项所述的方法制备的负极集流体，所述钠二次电池在首次充放电后在所述功能层远离所述基材的一侧沉积形成金属钠。
14.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求13所述的钠二次电池。
Priority Applications (1)
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2024
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