[發明專利]一種補堿金屬離子添加劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010567398.2
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN113823852A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 張振宇;林建楠
• 申請（專利權）人: 北京衛藍新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M10/42
• 分類號: H01M10/42;H01M10/0525;H01M10/054
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 盧澤明

本發明涉及一種補堿金屬離子添加劑及其制備方法和應用，該補堿金屬離子添加劑的化學式為xM_yC·(1?x)Z，其中所述M為堿金屬元素，所述Z為M₂O、M₂CO₃、MOH、MCl、MF、MBr和MI的一種或多種，且0.5≤x≤1，y0。該補堿金屬離子添加劑可以在空氣中和在制備電極極片過程中穩定存在，并可以在電池充放電時將堿金屬離子從碳層的包裹中脫離出來補充消耗的堿金屬離子，從而提升堿金屬離子電池的容量、能量密度、循環效率和循環壽命，且其碳層具有很好的導電性，一方面可以包裹在正負極活性材料上形成很好的導電網絡結構，另一方面也可以減少導電劑的使用，有助于改善堿金屬離子電池的導電性和倍率性能。

技術領域

本發明屬于鋰空氣二次電池技術領域，具體涉及一種補堿金屬離子添加劑、制備方法及鋰空氣電池。

背景技術

近年來，隨著環境污染和能源危機的加劇，掀起了一場以推動可再生能源發展為核心的新能源革命。堿金屬離子電池由于具有能量密度高，循環性能高，環境友好等優點而廣泛應用在電動汽車、數碼以及儲能等技術領域中。其中鋰離子電池在市面上研究最多且商業化程度最高。以鋰離子電池為例，隨著其應用領域的不斷擴大，對其能量密度提出了更高的要求。目前，正極主要通過提高充電電壓以及增大材料壓實密度的方法來提高材料比容量。但無法避免的是為了在負極表面生成具有保護作用的固體電解質界面膜(SEI膜)，在鋰離子電池的首次(或初始幾次的)循環中，需要有部分電解液發生還原分解，該過程需要消耗大約5％～10％的鋰，這會造成鋰離子電池比能量降低約5％～20％。因此，補鋰工藝的應用顯得尤為重要。目前補鋰工藝主要分為兩大類：1)正極補鋰工藝；2)負極補鋰工藝。負極補鋰一般采用鋰粉補鋰、鋰箔補鋰，但是因為金屬鋰是高反應活性的堿金屬，能夠與水劇烈反應，使得金屬鋰對環境的要求十分苛刻，這就使得這兩種負極補鋰工藝都要投入巨資對生產線進行改造，采購昂貴的補鋰設備，同時為了保證補鋰效果，還需對現有的生產工藝進行調整；另外負極補鋰中高容量硅負極由于存在膨脹率高等缺陷也難以推廣。正極補鋰技術中一般是在正極勻漿的過程中，向其中添加少量高容量的含鋰化合物，在充電的過程中，多余的鋰離子從這些高容量正極材料脫出，嵌入到負極中補充首次充放電的不可逆容量，其工藝簡單，不需要昂貴的補鋰設備。要達到提升電池能量密度的目的，補鋰添加劑的脫鋰容量必須大于正極材料的脫鋰容量。與鋰離子電池相似，鈉離子電池在首次充電過程中SEI膜的形成同樣制約著電池能量密度的提高及循環穩定性的保持。針對以上問題，目前仍有必要開發新的堿金屬離子添加劑對上述不可逆消耗提供有效補償。

發明內容

為解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種可以在空氣中和在制備電極極片過程中穩定存在，還可以在電池充放電過程將堿金屬離子從碳層的包裹中脫離出來補充消耗的堿金屬離子，從而提升堿金屬離子電池的容量、能量密度、循環效率和循環壽命，且可以改善堿金屬離子電池的導電性和倍率性能的補堿金屬離子添加劑，以及該補堿金屬離子添加劑的制備方法和應用。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種補堿金屬離子添加劑，其化學式為xM_yC·(1-x)Z，其中所述M為堿金屬元素，所述Z為M₂O、M₂CO₃、MOH、MCl、MF、MBr和MI的一種或多種，且0.5≤x≤1，y0。

進一步地，所述M為Li元素或者Na元素。

進一步地，該補堿金屬離子添加劑具有一層及以上碳層，所述碳層呈籠狀或類籠狀結構，且內部具有孔，所述堿金屬元素填充或沉積在碳層內部的孔內。

進一步地，所述Z覆蓋在碳層的接縫或缺陷處。

進一步地，所述補堿金屬離子添加劑的粒徑≤100μm(優選粒徑≤0.5μm)。