[發(fā)明專利]鈉離子電池有機負極材料

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310414837.6
• 申請日: 2013-09-12
• 公開（公告）號: CN103456961A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設計）人: 黃宗令;張海全;牟成旭;周愛軍;李晶澤
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60
• 代理公司: 成都虹橋專利事務所(普通合伙) 51124
• 代理人: 羅貴飛;梁鑫

技術領域

本發(fā)明屬于電池領域，具體涉及一種可用于重復充放電的鈉離子電池的有機負極材料。

背景技術

在過去的幾十年，全球主要的能源是化石能源。強烈依賴化石資源的能源結構給社會發(fā)展帶來了兩個方面的問題，一是化石資源無法在短期內再生，導致能源短缺問題日益嚴重；二是化石資源的大量消耗所引起的溫室效應和環(huán)境污染問題日趨嚴重。因此，解決資源與環(huán)境問題已成為關乎人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩大重要課題。顯然，大力開發(fā)和利用可再生能源，如太陽能、風能、地熱能和潮汐能等，逐漸擺脫對化石能源的依賴，是推動社會可持續(xù)發(fā)展的唯一可能途徑。然而，這些可再生能源都需要大規(guī)模開發(fā)和建設配套的電能儲存裝置（即儲能電站）來保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在目前儲能體系中，化學儲能電池由于具有靈活性、高效性和無地域限制性，是最有希望的大規(guī)模儲能裝置。

在現(xiàn)有的二次電池中，鋰離子電池由于其高能量密度和高電壓等優(yōu)點，成為純電動汽車和混合電動汽車最理想的動力電源；在便攜式電子產品的電源市場中，鋰離子電池更是獨占鰲頭。目前，鋰離子電池存在最大的問題就是鋰的高生產成本和資源的不足。將來如果大量使用稀有的鋰化合物資源，無疑將加劇鋰資源供給不足的矛盾，推動鋰離子電池價格的上漲。綜上所述，鋰離子電池可能無法作為大規(guī)模儲能電源的理想載體。因此，開發(fā)資源儲存豐富、成本低廉的先進電池體系是解決未來大規(guī)模電能儲存的必然出路。為了使儲能技術能夠發(fā)揮最大的用處，非常有必要開發(fā)出資源豐富、提煉成本比鋰低的電池體系，研究者自然將目光轉移到了和鋰元素同一個主族、性能比較接近的鈉元素。一方面，海水中的主要成分氯化鈉可以源源不斷地提供鈉源，另一方面，鈉離子電池的脫嵌鈉電位比鋰離子電池的脫嵌鋰電位高出約0.3V，更加適合循環(huán)及倍率性能優(yōu)秀但分解電壓低的液體電解質體系，具有更高的安全性。如果用鈉代替鋰，開發(fā)出工作性能優(yōu)良的鈉離子電池，在大規(guī)模儲能領域將擁有比鋰離子電池更大的競爭優(yōu)勢。因此，探尋高容量及優(yōu)異循環(huán)性能的儲鈉電極材料已成為目前電池領域的研究熱點。

關于用于鈉離子電池的正極活性物質目前已有不少的報道，比如NASICON結構的Na₃Fe₂(PO₄)₃(C.Delmas,F.Cherkaoui,et.al.,Mater.Res.Bull.22,631(1987))、NaTi₂(PO₄)₃(S.Okada,T.Yamamoto,et.al.,J.PowerSources,146,570(2005))、金屬硫化物FeS₂、TiS₂及氧化物Na_0.44MnO₂(F.Sauvage；J.-M.Tarascon.et.al.,InorganicChemistry,46,3289(1996))。在鈉離子電池的負極研究方面，Ge和Fouletier進行了鈉離子嵌入結晶石墨的試驗，發(fā)現(xiàn)鈉離子的嵌入量和用鈉蒸氣氣相法制備的NaC₆₄相似，容量僅有35mAh/g。這與鋰離子在碳材料中理論嵌入容量372mAh/g相差很大。Doeff等進行了鈉離子電化學嵌入石油焦、微晶石墨等多種碳材料的試驗，發(fā)現(xiàn)在石油焦中能形成NaC₂₄，最大嵌入量是93mAh/g。Thomas等進行了鈉離子嵌入瀝青碳纖維和天然石墨中的研究，發(fā)現(xiàn)鈉離子在天然石墨中的嵌入量低，在碳纖維中的嵌入量也只有55mAh/g。加拿大的研究者Dahn用熱解葡萄糖方法制備了硬碳材料，材料的可逆嵌鈉容量達到了300mAh/g，不過部分容量來自于0V以下析鈉反應，循環(huán)性能欠佳(D.A.Steven?andJ.R.Dahn,J.Electrochem.Soc.147,1271(2000))。日本研究者Komaba報道了一種硬碳材料，初始可逆容量為240mAh/g，經過100周的循環(huán)，容量仍保持在200mAh/g以上(Advanced?FunctionalMaterials21,3859(2011))。但是與鋰離子電池中的問題類似，由于硬碳材料的平衡電位平臺較低，很容易在負極表面形成金屬鈉的沉積，導致鈉電池存在安全隱患。除了碳系鈉離子電池負極材料之外，其他的研究較少，它們包括：氧化物，例如TiO₂、Fe₃O₄和Sb₂O₄等；硫化物，例如MoS₂；金屬合金，例如SbSn等。上述提到的鈉離子負極材料主要存在嵌鈉電位、比容量和循環(huán)穩(wěn)定性方面的問題，不能很好應用于鈉離子電池體系中。因此，為了發(fā)展高比能量、長循環(huán)壽命、廉價型鈉離子電池，必須開發(fā)新型鈉離子電池負極材料。