[發明專利]鈉電池及其正極材料

有效

• 申請號: 201310285292.3
• 申請日: 2013-07-09
• 公開（公告）號: CN104282951B
• 公開（公告）日: 2016-10-19
• 發明（設計）人: 溫兆銀;胡英瑛;吳相偉;張敬超;吳梅芬
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M4/38;H01M4/36
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明屬于能源材料領域，涉及鈉電池，更具體地說，涉及用于鈉電池的正極材料，以及包含該正極材料的鈉電池。?

背景技術

從Na-S電池發展而來的鈉-鹵化物電池，以鈉-氯化鎳電池為例，其擁有與Na-S電池類似的高的理論比能量（790Wh?kg^-1）、可實現的高的能量密度（150W/kg）、好的循環性能以及無自放電等優良特性，而更重要的是鈉-氯化鎳電池損壞時呈低電流方式，且不會有大量的熱放出，導致密封材料成本下降，且有更好的安全性能，因而鈉-氯化鎳電池成為當今電動汽車和靜態儲能的一個重要選擇。該電池與鈉硫電池類似，負極為熔融鈉，一般以β″-氧化鋁陶瓷作為固體電解質，但是不同的是其較復雜的正極材料。鈉-氯化鎳電池正極由金屬鎳、NaCl和第二相熔鹽電解質組成。為了降低電池內阻，金屬鎳一般過量。然而，電池在首次完全充電后的實際能量密度一般低于理論值，而且電池內阻隨著循環次數的增加而增大，嚴重影響電池壽命，產生這一現象的一個很重要的原因是金屬鎳在循環過程中長大，導致正極材料導電骨架的坍塌，引起電子傳輸困難，極大減少了反應活性區域（Journal?of?Power?Sources?2012，206，402-408）。為了提高電池性能，一般的處理方法是在正極材料中添加少量的添加劑，如鈉的其他鹵化物和硫元素。但是，這些添加劑在電化學過程上會產生副反應，引起電池性能下降，而且當它們在正極材料中不均勻的分布時還會導致電池更快的衰退。?

因此，本領域迫切需要開發出一種更有效的方法，在抑制鈉電池正極活性金屬長大，提高鈉電池循環穩定性的同時，不易與電池中的其他物質發生副反應，保證電池的安全性，延長電池壽命。?

發明內容

面對現有技術存在的問題，本發明旨在一種用于鈉電池正極的金屬/碳復合材料及包含其的鈉電池，從而解決了現有技術中存在的問題。?

在此，本發明提供一種鈉電池的正極材料，所述正極材料包括選自鎳、鐵、鋅、鈷、鉻、錳、鉬和銻中的至少一種金屬材料以及部分或完全包覆所述至少一種金屬材料的碳材料。?

本發明提供的鈉電池的正極材料中，正極活性金屬由碳材料部分或完全地包覆，可以正極活性金屬在電池循環中長大，提高鈉電池循環穩定性的同時，不易與電池中的其他物?質發生副反應，可延長電池壽命。?

較佳地，所述碳材料可選自石墨、碳黑、無定型碳、活性炭、乙炔黑、石墨烯和碳納米管。?

較佳地，所述至少一種金屬材料參與電池循環，所述碳材料形成穩定的導電網絡。?

較佳地，所述碳材料形成的包覆層的厚度可為5～200nm。?

本發明還提供一種包括上述正極材料的鈉電池，所述鈉電池包括鈉負極、固體電解質、以及包含所述正極材料的正極。?

較佳地，所述鈉負極由鈉金屬或鈉合金組成。?

較佳地，所述正極包括：所述正極材料、NaCl以及第二相熔鹽電解質。?

較佳地，所述第二相熔鹽電解質為熔點小于400℃的鈉離子導體熔鹽及其混合物或離子和電子混合導體熔鹽。?

本發明中，所述固體電解質可選自鈉離子導體陶瓷、鈉離子導體玻璃和鈉離子導體復合材料。例如β″-Al₂O₃、β-Al₂O₃、NASICON、Na₅GdSi₄O₁₂或ZrO₂/β″-Al₂O₃復合陶瓷。?

本發明具有如下有益效果：?

（1）碳材料的存在可以抑制電池充放電反應過程中因金屬長大而導致的性能下降；?

（2）金屬/碳復合材料在電池循環過程中能穩定存在，不會與其他正極材料發生副反應；?

（3）由于直接使用金屬/碳復合材料作為主量材料，因此其在正極材料中的均勻性可以得到更好的保證，從而得到更加穩定的電池性能；?

（4）處理方法簡單易行，成本低；?

（5）原料選擇性強，價格較低。?

附圖說明

圖1是本申請實施例1中鈉-氯化鎳電池正極鎳/碳復合材料的充放電示意圖；?

圖2是本申請實施例1中使用的鎳/石墨復合材料的高分辨透射電子顯微照片和低倍透射電子顯微照片。?

具體實施方式