[發明專利]一種高擔量自支撐厚電極的制備及其在鈉離子電池中的應用

有效

• 申請號: 201811250700.0
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN111106312B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 鄭瓊;易紅明;張華民;李先鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/139
• 分類號: H01M4/139;H01M4/36;H01M4/62;H01M4/13;H01M10/054
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明屬于電極材料領域，公開了一種采用相轉化制備的高擔量自支撐厚電極及其制備方法與應用。該工藝制得的電極有如下優點：1)無需集流體、粘結劑和額外的導電碳，極大地提升了電極的整體能量密度；2)該電極厚度為300～3000μm，擔量在8～55mg cm^?2，這種厚電極能提升整個儲能設備中活性材料占比，提高整個儲能設備的能量密度；3)相比薄電極，在達到相同能量儲存容量下，高擔量厚電極的制備步驟更少，生產成本更低；4)該電極具有連通兩個電極表面的微米級指狀孔和分散于整個電極的百納米級孔，這些孔保證該電極即使在一個高的擔量下也具有優異的倍率性能。該方法將推進高擔量自支撐厚電極的工業化應用與規模化生產。

技術領域

本發明屬于電極材料領域，公開了一種采用相轉化制備的高擔量自支撐厚電極及其制備方法與應用。

背景技術

能源是社會發展的重要推動力，目前所使用的能源主要分為可再生能源(風能、水能、太陽能等)和不可再生能源(煤、石油、天然氣等)。由于不可再生能源資源短缺并對環境污染嚴重，可再生能源的發展越來越受到人們的關注，但可再生能源不連續、不穩定，將其直接并網會對電網產生很大的沖擊。儲能技術是解決可再生能源不連續、不穩定的關鍵技術。在眾多的儲能技術中，鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長等優點，被廣泛地應用于各種便攜式電子設備和電動汽車中，但鋰資源儲量有限、分布不均勻,限制了鋰離子電池的規模化發展。鈉與鋰具有相似的化學、物理性質，且Na的儲量豐富(Na的豐度是Li的1000倍)，分布廣泛，成本較低，鈉離子電池的發展能夠有效地緩解鋰資源短缺的問題。

目前，考慮到鈉離子電池材料的高性價比，具有商業化應用潛力的正極有：磷酸釩鈉(Na₃V₂(PO₄)₃)、氟磷酸釩鈉(NaVPO₄F、Na₃V₂O_x(PO₄)₂F_3-x；0≤x≤2)、金屬氧化物(Na_xNi_yFe_zMn_wO₂、Na_xNi_yFe_zCu_wO₂；0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤w≤1)、磷酸鐵鈉(NaFePO4)等；具有商業化應用潛力的負極有：鈦酸鈉(Na2Ti3O7)、磷酸鈦鈉(NaTi2(PO4)3)、二氧化鈦(TiO2)、二硫化鉬(MoS2)、錫(Sn)、碳(C)等。這些電極的制備方法主要采用的是傳統的刮涂方法，即將活性材料、粘結劑、導電碳配成漿料，然后刮涂在集流體上，制得的電極活性材料占比很小，電極的整體能量密度低。為了提高電極的整體能量密度，自支撐電極應運而生。自支撐電極是指電極活性材料在不依靠集流體的情況下，可以獨立作為電極組裝電池使用的電極，其優點在于無需使用粘結劑、導電碳和集流體，極大地提高了電極中活性物質質量占比，從而提高電池的整體能量密度。不過，目前的自支撐電極的制備方法(如棉布/樹木作自支撐電極，碳納米管/石墨烯抽濾成膜，靜電紡絲等)能耗高，制備時間長，產量小，故較難實現大規模工業化生產。相轉化法方法簡單，能耗低，是一種比較適合于自支撐電極大規模工業化生產的方法，但一般的相轉化法(如蒸汽相轉化)得到的電極呈現出三維海綿狀的形貌，在較低的電極厚度(＜150μm)，較低的擔量(＜5mg cm^-2)下，能表現出好的性能。但當擔量提高后，由于鈉離子在電極里的擴散路徑為折線型，鈉離子的擴散路徑長，擴散慢，倍率性能表現很差。