[發(fā)明專利]一種用于鈉離子電池的兩元化合物Cu2Se正極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310087461.2
• 申請(qǐng)日: 2013-03-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103199246A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 岳繼禮;孫乾;傅正文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/58
• 分類號(hào): H01M4/58
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一類用于納離子電池的正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

由于化石燃料等傳統(tǒng)能源的大量使用造成了全球性的環(huán)境問(wèn)題和氣候變化另一方面化石燃料等不可再生能源的儲(chǔ)量也是有限的。所以開(kāi)發(fā)新能源就顯得尤其重要，風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等由于受天氣和資歷位置的影響較大，對(duì)其的有效利用就需要將其和化學(xué)電源結(jié)合使用，將其發(fā)出的電能儲(chǔ)存于化學(xué)電源中，在經(jīng)過(guò)電網(wǎng)輸送給用戶。大規(guī)模的儲(chǔ)能需要大量的化學(xué)電源，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟的商品化的電池如鉛酸蓄電池由于使用重金屬鉛會(huì)造成很大的環(huán)境污染，對(duì)于鋰離子電池，如果大規(guī)模使用，一方面是鋰在地球上的儲(chǔ)量有限，另一方面鋰離子電池的成本很高。而鈉離子電池，主要使用的是鈉，鈉元素在地球上的儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰，并且價(jià)格也比鋰便宜。鈉離子電池作為大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的電池將會(huì)有很大優(yōu)勢(shì)。尋找大容量，高能量密度的鈉離子正極材料顯得尤為迫切。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一類性能良好的鈉離子電池正極材料及其制備方法。

本發(fā)明提出的鋰離子電池正極材料，是一種具有面心立方結(jié)構(gòu)的Cu₂Se材料。經(jīng)研究表明，此類材料具有良好的電化學(xué)性能，可作為高性能鈉離子電池的正極材料。目前為止沒(méi)有關(guān)于Cu₂Se材料用作鈉離子電池正極材料的報(bào)道。

本發(fā)明提出的作為鈉離子電池正極材料的Cu₂Se為薄膜形式，其薄膜材料的厚度為1.8—2.5μm，優(yōu)選厚度為2μm。

本發(fā)明使用一種簡(jiǎn)單的后硒化方法制備Cu₂Se正極材料，同時(shí)不需要進(jìn)一步處理而得到了可以直接使用的無(wú)粘結(jié)劑和額外加入導(dǎo)電劑的極片。具體步驟如下：?

取一定量的硒置于反應(yīng)釜中，再將銅網(wǎng)放于反應(yīng)釜中，蓋上反應(yīng)釜的蓋子，用機(jī)械泵抽真空，至1×10^-3Pa以下；加熱反應(yīng)釜至380--420℃，并在該溫度保持1.5—2.5小時(shí)；降溫至室溫。

薄膜厚度可由掃描電鏡測(cè)定，硒化后硒的重量根據(jù)電子天平稱量，實(shí)驗(yàn)前后基片重量作差得到，而硒化銅（Cu₂Se）的質(zhì)量按照化學(xué)計(jì)量比計(jì)算得到。

本發(fā)明中，硒化銅（Cu₂Se）的晶體結(jié)構(gòu)由X射線衍射儀測(cè)定。

本發(fā)明中，硒化銅（Cu₂Se）薄膜可直接制成鈉離子電池薄膜電極。電化學(xué)性能測(cè)試采用由兩電極組成的電池系統(tǒng)，其中，Cu₂Se薄膜用作工作電極，高純鈉片用作對(duì)電極和參比電極。電解液為1M?NaClO₄?+?EC?+?DMC?（V/V=1/1）。電池裝配在充氬氣的干燥箱內(nèi)進(jìn)行。電池的充放電實(shí)驗(yàn)在藍(lán)電（Land）電池測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行。

本發(fā)明中，由后硒化方法制成的硒化銅（Cu₂Se）電極具有良好的充放電性能，第一次充放電反應(yīng)的放電平臺(tái)出現(xiàn)在1.93V（相對(duì)于Na⁺/?Na），之后各次放電過(guò)程的平臺(tái)也出現(xiàn)在1.93?V。充電平臺(tái)為2.02V，在之后的各次充電過(guò)程中其平臺(tái)也保持在2.02V，硒化銅（Cu₂Se）電極的極化很小。進(jìn)行100次循環(huán)之后其容量仍然有113.6mAh/g。在0.1C的條件下容量為251.4mAh/g，2C條件下仍然有90.8mA/g的容量。

上述性能表明，硒化銅（Cu₂Se）是一類新型的正極材料，可應(yīng)用于鈉離子電池。

附圖說(shuō)明

圖1為硒化銅（Cu₂Se）電極的充放電曲線。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。

取一定量的硒置反應(yīng)釜中，再將銅網(wǎng)放于反應(yīng)釜中，蓋上反應(yīng)釜的蓋子，用機(jī)械泵抽真空，至1×10^-3Pa以下，加熱反應(yīng)釜至400攝氏度并保持400℃?2h，降溫至室溫。XRD衍射圖樣表明制備的薄膜為Cu₂Se。

將制得的電極作為工作電極，以高純鈉片作為對(duì)電極組裝成模擬電池。其中電解液為1M?NaClO₄?+?EC?+?DMC?(EC與DMC的體積比為1/1)，電池裝配在充氬氣的干燥箱內(nèi)進(jìn)行。電池的充放電在Land電池測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行。Cu₂Se薄膜電極表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能。電池放電平臺(tái)在1.9V左右，容量達(dá)到253mAh/g左右（見(jiàn)圖1）。