[發明專利]一種循環穩定且可逆脫鈉的鈉離子電池有機正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202210140519.4
• 申請日: 2022-02-16
• 公開（公告）號: CN114464806B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 侴術雷;張杭;李麗;高云;周琳
• 申請（專利權）人: 溫州大學碳中和技術創新研究院
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 溫州市品創專利商標代理事務所(普通合伙) 33247
• 代理人: 程春生

本發明涉及研究三種有機小分子鈉鹽材料用作鈉離子電池正極材料的制備方法和性能優化研究。所選擇的材料中均含有鈉離子且不含過渡金屬，環境友好。本發明還提供了所述有機小分子鈉鹽鈉離子電池正極材料的制備方法。鈉離子電池有機正極材料普遍存在穩定性不佳的問題，并且無法直接與無鈉負極匹配全電池。本發明通過合理的結構選擇和電解液調節，極大地提升了材料的長循環性能并發掘了材料與無鈉負極直接匹配的能力。與現有技術相比，本發明操作工藝簡單易行，環境友好，循環性能良好，是一種優異的鈉離子電池正極材料。

技術領域

本發明屬于鈉離子電池正極材料領域，更具體地，涉及一種循環穩定的鈉離子電池有機正極材料，以及該正極材料的制備方法與電解液優化。

背景技術

探索清潔、安全、廉價且性能令人滿意的儲能系統是過去幾十年不斷的追求之一。商用鋰離子電池(LIBs)必然受限于鋰資源有限且分布不均，無法滿足所有要求。得益于與LIBs類似的工作機制和寶貴的經驗，鈉離子電池(SIBs)因其鈉礦物資源豐富、成本低廉而備受來自研究或是產業化的關注。層狀過渡金屬氧化物(LTO)、普魯士藍類似物(PBA)和聚陰離子是研究最多的SIBs正極材料，并且都具有巨大的商業應用潛力。使用這些材料時仍然存在問題，例如LTO的循環穩定性差、PBA框架中不可避免的間隙水以及聚陰離子的低比容量。此外，這些材料中使用的過渡金屬資源相當昂貴且資源不足，例如鈷和鎳。因此，在考慮材料的可持續性時，需要更多有前景的材料，如有機材料，作為更好的鈉離子主體材料。

然而，大多數報道的有機材料在其自然狀態下沒有可逆的鈉離子可供脫出與嵌入，這與其他有商業化前景的正極(如LTO和PBA)不同。考慮到硬碳由于低成本、易于制備和低電位平臺，在大規模SIB中具有巨大的實際應用潛力，正極材料必須在其結構中提供足夠可逆的鈉離子。盡管一些含有一定量鈉離子的有機鈉鹽作為正極時表現出可逆的容量，但分子結構中的鈉離子不能從主體可逆地脫離到負極。這意味著這些有機材料除了引入電化學方法、外部短路和引入額外的添加劑等預處理外，無法與硬碳匹配來組裝全電池。在這個過程中成本和不穩定性增加。因此，如果想進一步加強有機材料的商業化潛力，需要付出很多努力來提高能量密度、穩定循環和研究分子結構中具有可逆鈉離子的有機材料。

因此，研究具有可分離鈉離子且可逆脫嵌的有機材料，可以拓寬鈉離子電池商業化正極材料的選擇，并推進有機鈉離子電池的商業化進程。

發明內容

本發明的目的是提供一種循環穩定且可與硬碳直接匹配全電池的鈉離子電池有機正極材料及其制備方法。

本發明的第一方面提供三種鈉離子電池有機正極材料的電化學性能研究，分別是Na₂C₆O₆H₂(OSS-1)，Na₄C₆O₆(OSS-2)和Na₂C₆O₆(OSS-3)材料，包括以下步驟。

根據本發明的鈉離子電池有機正極材料，當采用碳酸酯類電解液時和醚類電解液時，表現出不一樣的電化學行為。

(1)按一定比例分別稱取有機小分子鈉鹽材料、導電碳和粘結劑；

(2)加入小的氧化鋯珠，放于小型振蕩器中充分振蕩；

(3)將漿料均勻涂覆在鋁箔上，然后放置于真空烘箱中干燥；

(4)選取合適的電解液，將極片充分潤濕后組裝電池；

更進一步的，步驟(1)中三種物質的質量比例為6：3：1或7：2：1；

進一步的，步驟(2)中振蕩時間為30-60分鐘；

更進一步的，步驟(3)中烘干溫度為60-100攝氏度，時間為10-24小時；