[發明專利]一種石墨烯基鈉離子電池

在審

• 申請號: 201611131027.X
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106785008A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 楊全紅;張俊;呂偉;張思偉;鄭德群;游從輝;康飛宇
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M10/054
• 分類號: H01M10/054;H01M10/0567;H01M10/0569
• 代理公司: 廣東德而賽律師事務所44322
• 代理人: 葉秀進

技術領域

本發明涉及電池的技術領域，特別涉及一種石墨烯基鈉離子電池。

背景技術

近年來，隨著電子設備、電動工具、小功率電動汽車等迅猛發展，研究高效能、資源豐富以及環境友好的儲能材料及器件是人類社會實現可持續發展的必要條件。目前主要的儲能器件為鋰離子電池，隨著鋰離子電池應用領域從便攜式電子設備向電動汽車、大規模儲能裝置的快速擴展，對鋰的需求量會急劇增大，但有限的鋰資源和較高的價格限制了其在智能電網和可再生能源等大規模儲能體系的應用。

鈉是地球上儲量較為豐富的元素之一，其與鋰的化學性質類似。因此鈉離子電池與鋰離子電池相類似，也是一種很有應用前景的電池材料。與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有成本低、安全性能好等突出優勢，因此有望在未來取代鋰離子電池而被廣泛應用。石墨烯具有豐富的表面活性位以及較高的理論比容量，極具成為實用化和商業化鈉離子電池負極的潛力。但是，當采用鋰電商業化的酯類溶劑時，溶劑的還原分解較嚴重，且與石墨烯表面的大量缺陷發生不可逆的反應，造成首次放電時鈉離子消耗嚴重，而反應生成的固態電解質界面(Solid Electrolyte Interphase,SEI)也不穩定，因此首圈庫倫效率極低且循環穩定性不佳，直接阻礙了鈉離子電池的商業化應用。

綜上所述，提供一種能解決電解液與石墨烯類粉體材料的強烈不可逆反應并優化首圈庫倫效率、可逆比容量及倍率性能的石墨烯基鈉離子電池十分有必要。

發明內容

本發明的目的在于：針對現有技術的不足，而提供一種能夠有效降低電解液與石墨烯類粉體材料的不可逆反應且進一步優化綜合電化學性能的鈉離子電池。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種石墨烯基鈉離子電池，包括正極片、負極片、設置于所述正極片和所述負極片之間的隔膜和電解液，所述負極片包括負極集流體和設置于所述負極集流體上的負極涂層，所述負極涂層包括負極活性物質；

所述電解液包括非水系溶劑和溶解于所述非水系溶劑中的鈉鹽，所述非水系溶劑包括至少一種通式(1)或者通式(2)所述的醚類化合物：

R1-O-R2(1)；

R1-O-(R3-O)_n-R2(2)；

通式(1)和通式(2)中，R1和R2相互獨立地為直鏈或支鏈的C1至C6的烷基以及直鏈或支鏈的C1至C6的羥烷基，R3為直鏈或支鏈的C1-C5的亞烷基，并且n為1-4的整數；

所述負極活性物質包括石墨烯類粉體材料。

作為本發明石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述非水系溶劑為二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚以及和四乙二醇二甲醚中的至少一種一種或幾種的混合。

作為本發明石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述電解液還包括添加劑，所述添加劑與所述非水系溶劑的質量比值為(0.1-20)：100。

作為本發明石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述添加劑為亞硫酸乙烯酯(ES)、亞硫酸丙烯酯(PS)、碳酸亞乙烯酯(VC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的至少一種。

作為本發明石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述電解液中的鈉鹽的摩爾濃度介于0.2mol/L-5mol/L之間。

作為本發明石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述鈉鹽為高氯酸鈉(NaClO₄)、六氟磷酸鈉(NaPF₆)和三氟甲基磺酸鈉(NaCF₃SO₃)中的至少一種或幾種的組合。

作為本發明石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述石墨烯為純石墨烯、還原氧化石墨烯或摻雜石墨烯(如氮摻雜石墨烯、硼摻雜石墨烯)。當采用還原氧化石墨烯時，因其制備過程中向石墨烯引入一些缺陷，這些缺陷會具有一定的電化學活性，所以可逆比容量相比純石墨烯會有所提升。此外，摻雜石墨烯會改變石墨烯的電子結構，提升導電性并提供一些額外的電化學活性位，改善綜合電化學性能。