[發明專利]硬碳負極材料在鈉離子電池上的應用方法

在審

• 申請號: 202010289904.6
• 申請日: 2020-04-14
• 公開（公告）號: CN111600021A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 楊劍;潘軍;錢逸泰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M10/0568;H01M10/0569;H01M2/16;H01M4/04;H01M4/1393;H01M10/054;H01M10/058
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 張宏松

本發明涉及硬碳負極材料在鈉離子電池上的應用方法，本發明選用商業化硬碳作為鈉離子電池的負極材料，NaPF₆?DGM為電解液，Celgard 2325為隔膜，組成的鈉離子電池，在電化學性質上具有更小的極化電壓和優異的循環倍率性能，同時具有高首效和高庫倫效率，兼顧高容量和長壽命，在1A g^?1的電流密度下，循環3500圈，仍然具有224.4mAh g^?1的容量。

技術領域：

本發明提供硬碳負極材料在鈉離子電池上的應用方法，屬于鈉離子電池技術領域。

背景技術：

鋰離子電池(LIBs)作為一種新型儲能裝備已經受到廣泛關注(Adv.Mater.2018,30,1800561)。但是隨著人們對大型儲能裝備的需求，鋰資源含量的匱乏以及昂貴的價格限制了鋰離子電池在大型儲能設備中的發展。相對而言，鈉離子電池(NIBs)雖然能量密度較低，但在自然界中的含量豐富，與鋰的化學性能類似，鈉離子電池與鋰離子電池的組成、原理相似，可以用鋁箔作為集流體，降低了組裝成本，越來越受到科研工作者的青睞。但是由于鈉離子半徑比鋰離子半徑大，使得鈉離子在循環過程中，發生大的體積膨脹效應，從而導致容量的衰減。因此尋找高容量、長循環壽命、優異倍率性能的鈉離子負極材料仍然是目前面臨的一個挑戰(Chem.Soc.Rev.2017,46,3529)。

相對于合金機制的Sb和Sn的負極材料(Adv.Mater.2017,29,1700622)，和轉化機制的過渡金屬氧化物和硫化物(Adv.Funct.Mater.2018,28,1804458)，脫嵌機制的材料是最具商業應用潛力的材料(鋰離子電池已經給了我們證明)，但是已經商業化的鋰電負極石墨材料，在鈉離子電池中表現出的性能不優異，因為，石墨的層間距并不適合離子半徑較大的鈉離子進行脫嵌，相對而言，硬碳材料具有無序的結構，更有利于鈉離子的吸附和脫嵌(Adv.Energy Mater.2017,7,1602898)。

目前，人們對于硬碳材料的研究分為以下幾類：第一，運用不同的原料合成結構不同的硬碳材料，比如納米結構、空心結構、二維結構等等(J.Alloys Compd.2017,701,870)，雖然這些材料表現出好的電化學性能，但是沒有商業應用價值。生產中需要的是微米級的材料，具有小的比表面積和高的振實密度，從而表現出高的體積比容量。第二，是對硬碳材料反應機制的探究，綜合眾多研究，大部分人認為硬碳材料在酯類電解液屬于吸附-嵌入機理(Adv.Energy Mater.2017,7,1700403)。并通過各種原位/離位表征手段給出了證明。第三，探究不同電解液以及添加劑對電化學性能的影響(Energy Storage Mater.2019,16,146)。

現有對硬碳材料的研究大都是利用實驗室合成的硬碳，對商業化硬碳的利用以及研究很少，同時將硬碳材料用于電池中都忽視了界面膜的形成以及對電化學性能的影響，得到的電池電化學性能都不高。

發明內容：

針對現有技術的不足，本發明提供硬碳負極材料在鈉離子電池上的應用方法。

本發明選用商業化硬碳作為鈉離子電池的負極材料，NaPF₆-DGM為電解液，Celgard 2325為隔膜，組成鈉離子電池，通過原位/離位手段對其在該條件下的電化學反應機制、SEI膜的形成機理和成分、以及電解液濃度對其電化學性質的影響進行驗證，證明了，在本發明的應用條件下組成的鈉離子電池在電化學性質上是具有更小的極化電壓和優異的循環倍率性能，具有高首效和高庫倫效率，兼顧高容量和長壽命，循環3500圈，仍然具有224.4mAh g^-1的容量。

術語說明：

硬碳：是指難以被石墨化的碳，通過高分子聚合物的熱分解得到的碳。

商業化硬碳：市場在售硬碳。

為達到以上目的，本發明是通過如下技術方案實現的：