[發明專利]一種基于金屬鉍負極的寬溫鈉離子電池

在審

• 申請號: 202110231633.3
• 申請日: 2021-03-02
• 公開（公告）號: CN113140723A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 王永剛;李智
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/485;H01M4/505;H01M4/525;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0569;H01M10/054
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于電化學技術領域，具體為一種基于金屬鉍負極的寬溫鈉離子電池。本發明鈉離子電池由正極、負極、電解液組成；正極材料為層狀鈉氧化物、磷酸鹽類化合物、普魯士蘭化合物以及活性炭中的一種或幾種混合物；負極為金屬鉍；電解液含醚類溶劑，以有機鈉鹽和/或無機鈉鹽作為溶質，具有高沸點、低凝固點的特點，在較寬的溫度范圍(?70^oC~160℃)內表現出良好的離子電導。與傳統鋰離子、鈉離子電池不同，本發明所提出的鈉離子電池能夠在?70^oC~160℃的溫度范圍內穩定工作，并表現出良好的循環性能、功率特性和倍率性能，可以被用作高寒、高溫、環境溫度變化較大區域的儲能裝置。

技術領域

本發明屬于電化學技術領域，具體涉及一種具有寬工作溫度范圍的鈉離子電池。

背景技術

近年來，鋰離子電池飛速發展，已經在各行各業得到廣泛應用。但人們日益増長的需求和鋰資源的儲量貧瘠直接制約著鋰離子電池發展，尤其是大規模儲能，例如新能源汽車和智能電網的發展，對二次電池的發展提出了新的要求。鈉原子與鋰原子具有相似的原子結構和化學性質，而且全球鈉元素的儲量極其豐富，鈉離子電池還具有較高的比能量和低生產成本。因此隨著鋰離子電池受鋰資源和生產成本的影響限制其廣泛應用，具有相似電化學性質的鈉離子電池成為研究者關注的焦點。目前，一些鈉離子電池電極材料的性能已經得到了顯著提升，很有可能將部分取代當前商業化的鋰離子電池。

眾所周知，鈉離子電池通常雖然能在-30℃到55℃的溫度區間正常工作，但這無法滿足其在超低溫、超高溫，或變溫范圍大的區域的使用。當溫度接近或達到了電解液的冰點，此時電解液表現出極低的離子電導和超高的粘度(或已經凝固)，因此大大增大了電極反應的界面電阻。另一方面，在高溫條件下，電解質容易氧化分解，導致其電極表面SEI膜的阻抗增加，甚至破壞電極本體材料的內部結構，造成爆炸的危險。

如上所述，開發具有高沸點、低凝固點、在寬溫度范圍內有較高的離子電導率的電解液是提高鈉離子電池高低溫性能重要手段。但是，極少數的電解液可以同時滿足高沸點和低熔點的要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有寬工作溫度范圍的低成本、長循環壽命、高能量密度、高低溫性能與倍率性能優異的鈉離子電池。

本發明提供的鈉離子電池，是基于金屬鉍負極材料的，具體包括正極、負極、電解液；其中，所述負極活性物質為金屬鉍，所述正極材料活性物質為層狀鈉氧化物、磷酸鹽類化合物、普魯士蘭化合物與活性炭中的一種或幾種的混合物；所述電解液含醚類溶劑的寬溫度范圍(-70℃～160℃)的電解液，以有機鈉鹽和/或無機鈉鹽為溶質，在-70℃～160℃內表現出高的離子電導。其工作原理主要是在充放電過程中，Na⁺在正負電極之間往返嵌入和脫出：充電時，Na⁺從正極脫出，經過電解質嵌入負極，負極處于富鈉狀態；放電時則相反。

本發明中，所述醚類溶劑，選自二乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、甲基九氟正丁基醚、八氟戊基-四氟乙基醚中的一種，或其中幾種的混合；混合溶劑的作用主要是調節電解液在高溫或低溫下的粘稠度、相應的離子電導和高電壓下抗氧化能力。

本發明中，所述溶質選自有機鈉鹽及無機鈉鹽，包括但不限于六氟磷酸鈉、雙(三氟甲基磺酰亞胺)鈉、三氟甲基磺酸鈉、四氯硼酸鈉、高氯酸鈉、四氟硼酸鈉、硝酸鈉、六氟銻酸鈉、苯甲酸鈉、對甲苯磺酸鈉、雙氟磺酰亞胺鈉、四氯鋁酸鈉、四氯鐵酸鈉、四苯硼鈉中的一種或幾種。

本發明中，所含鈉離子的濃度范圍為0.01～10mol/L。優選1～10mol/L。

本發明中，所述電解液，還含有硼酸酯類、亞硫酸酯類、磺酸內酯類、氟代乙烯酯、聚氧乙醚中的一種或幾種，作為成膜添加劑。添加劑的作用主要是有利于形成均勻的SEI膜，從而減少界面阻抗。