[發(fā)明專(zhuān)利]鈉離子電池有機(jī)負(fù)極材料

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310414837.6
• 申請(qǐng)日: 2013-09-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103456961A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃宗令;張海全;牟成旭;周愛(ài)軍;李晶澤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/60
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/60
• 代理公司: 成都虹橋?qū)＠聞?wù)所(普通合伙) 51124
• 代理人: 羅貴飛;梁鑫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池領(lǐng)域，具體涉及一種可用于重復(fù)充放電的鈉離子電池的有機(jī)負(fù)極材料。

背景技術(shù)

在過(guò)去的幾十年，全球主要的能源是化石能源。強(qiáng)烈依賴(lài)化石資源的能源結(jié)構(gòu)給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是化石資源無(wú)法在短期內(nèi)再生，導(dǎo)致能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重；二是化石資源的大量消耗所引起的溫室效應(yīng)和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。因此，解決資源與環(huán)境問(wèn)題已成為關(guān)乎人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩大重要課題。顯然，大力開(kāi)發(fā)和利用可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎统毕艿龋饾u擺脫對(duì)化石能源的依賴(lài)，是推動(dòng)社會(huì)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(kāi)發(fā)和建設(shè)配套的電能儲(chǔ)存裝置（即儲(chǔ)能電站）來(lái)保證供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在目前儲(chǔ)能體系中，化學(xué)儲(chǔ)能電池由于具有靈活性、高效性和無(wú)地域限制性，是最有希望的大規(guī)模儲(chǔ)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(diǎn)，成為純電動(dòng)汽車(chē)和混合電動(dòng)汽車(chē)最理想的動(dòng)力電源；在便攜式電子產(chǎn)品的電源市場(chǎng)中，鋰離子電池更是獨(dú)占鰲頭。目前，鋰離子電池存在最大的問(wèn)題就是鋰的高生產(chǎn)成本和資源的不足。將來(lái)如果大量使用稀有的鋰化合物資源，無(wú)疑將加劇鋰資源供給不足的矛盾，推動(dòng)鋰離子電池價(jià)格的上漲。綜上所述，鋰離子電池可能無(wú)法作為大規(guī)模儲(chǔ)能電源的理想載體。因此，開(kāi)發(fā)資源儲(chǔ)存豐富、成本低廉的先進(jìn)電池體系是解決未來(lái)大規(guī)模電能儲(chǔ)存的必然出路。為了使儲(chǔ)能技術(shù)能夠發(fā)揮最大的用處，非常有必要開(kāi)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(zhuǎn)移到了和鋰元素同一個(gè)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(zhì)體系，具有更高的安全性。如果用鈉代替鋰，開(kāi)發(fā)出工作性能優(yōu)良的鈉離子電池，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)碛斜蠕囯x子電池更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，探尋高容量及優(yōu)異循環(huán)性能的儲(chǔ)鈉電極材料已成為目前電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

關(guān)于用于鈉離子電池的正極活性物質(zhì)目前已有不少的報(bào)道，比如NASICON結(jié)構(gòu)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(fù)極研究方面，Ge和Fouletier進(jìn)行了鈉離子嵌入結(jié)晶石墨的試驗(yàn)，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?jī)H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(jìn)行了鈉離子電化學(xué)嵌入石油焦、微晶石墨等多種碳材料的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在石油焦中能形成NaC₂₄，最大嵌入量是93mAh/g。Thomas等進(jìn)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(dá)到了300mAh/g，不過(guò)部分容量來(lái)自于0V以下析鈉反應(yīng)，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(bào)道了一種硬碳材料，初始可逆容量為240mAh/g，經(jīng)過(guò)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(wèn)題類(lèi)似，由于硬碳材料的平衡電位平臺(tái)較低，很容易在負(fù)極表面形成金屬鈉的沉積，導(dǎo)致鈉電池存在安全隱患。除了碳系鈉離子電池負(fù)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(fù)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(wèn)題，不能很好應(yīng)用于鈉離子電池體系中。因此，為了發(fā)展高比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、廉價(jià)型鈉離子電池，必須開(kāi)發(fā)新型鈉離子電池負(fù)極材料。