[發明專利]一種鈉離子載體-碳復合粉體與自隔式電極及制備方法

在審

• 申請號: 202210272602.7
• 申請日: 2022-03-18
• 公開（公告）號: CN114583138A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 葉瑛;杜昊;張平萍
• 申請（專利權）人: 杭州怡萊珂科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/583;H01M4/62;H01M50/414;H01M50/46;H01M50/491;H01M10/054
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種鈉離子載體?碳復合粉體與自隔式電極及制備方法。該鈉離子載體的化學成分為鋁鈦酸鈉，是三鈦酸鈉的類質同象衍生物。鋁鈦酸鈉適合用作二次鈉電池的電極材料，其能量密度高于磷酸亞鐵鋰，安全性和性價比優于各類鋰離子電極材料。采用原位復合技術，制備了鋁鈦酸鈉?碳的復合粉體，以及基于這種復合粉體的自隔式鈉離子載體?碳復合電極。自隔式電極的最大特點是自帶離子隔膜。通過交聯?沉淀作用，在電極表面，包括內部微孔表面形成的微孔聚合物膜起到了離子隔膜的作用。使用自隔式電極組裝電池時，陽極和陰極之間不再需要另外設置離子隔膜，簡化了制造工藝，節省了綜合成本，也縮減了電池的體積。

技術領域

本發明屬于能源領域，具體涉及一種鈉離子載體、鈉離子載體-碳復合粉體、自隔式鈉離子載體-碳復合電極、以及復合粉體和復合電極的制備方法。

背景技術

目前的鋰離子電池存在資源短缺，原料價格上漲過快，以及存在自燃風險等缺陷，用鈉離子電池替代鋰離子電池是動力電池的發展趨勢。

離子載體和離子隔膜是二次電池必不可少的組成部分，前者作為充放電活性物質，是電池能量的來源，也是二次鈉離子電池的技術核心。離子隔膜是一種設置在陽極和陰極之間的離子半透膜，允許金屬陽離子通過，但其它組分不能通過；離子隔膜是陽極和陰極之間的絕緣屏障，防止電池內部因短路出現自放電。不同類型的金屬離子電池通常需要有不同的隔膜材料，為不同工況的電池開發不同類型的隔膜需要投入較多的人力物力，耗費時間成本。此外，制備或購買離子隔膜的成本約占電池總成本的13％至20％。將隔膜與電極材料融合的技術，將有助于減輕電池的體積和重量，進一步提高金屬離子電池的能量密度和綜合性能。此外，也有助于降低綜合成本，提升產品的市場競爭力。

發明內容

本發明的目的是針對鈉離子電池的核心技術提出一種解決方案，即一種鈉離子載體-碳復合粉體與自隔式電極及制備方法。

為實現上述發明目的，本發明擬采用的具體技術方案如下：

第一方面，本發明提供了一種鈉離子載體，其特征在于它是一種鋁鈦酸鈉，分子式為Na_2+xTi_3-xAl_xO₇，分子式中的x介于0.5至2之間。

第二方面，本發明提供了一種鈉離子載體-碳復合粉體，其特征在于復合粉體的核心為碳微粒，而上述第一方面所述的鈉離子載體包覆在碳微粒上，形成復合粉體。

第三方面，本發明提供了一種基于上述第二方面所述鈉離子載體-碳復合粉體的自隔式鈉離子載體-碳復合電極，其特征在于電極主體由微晶碳粘結的所述鈉離子載體-碳復合粉體組成，電極主體的表面以及內部孔隙的表面均包覆有原位交聯沉淀形成的微孔聚合物膜，電極內部植入碳纖維或金屬絲作為連接外電路的導體。

作為上述第三方面的優選，所述的微孔聚合物膜是經由原位蒸發沉淀作用形成的高分子聚合物膜，包括但不限于聚丙烯腈膜、聚苯乙烯膜、聚氯乙烯膜，膜上均勻分布有納米至亞微米級的微孔。

作為上述第三方面的優選，所述的金屬絲是金屬銅、金屬鎳、金屬鈷、或鐵、鈷、鎳合金組成的金屬絲。

第四方面，本發明提供了一種如上述第二方面所述的鈉離子載體-碳復合粉體的制備方法，其特征在于它的步驟如下：

1)將3-x摩爾份的鈦酸四丁酯和x摩爾份三氯化鋁溶解在無水乙醇或甲醇中，得到總濃度為10％至20％的溶液，再加入相當于溶液重量0.1％至0.5％的表面活性劑，攪拌溶化后得到混合溶液；

2)在混合溶液中按固液比1:8至1:10加入導電炭黑，攪拌均勻后用去離子水浸泡0.5至2小時，抽濾、淋洗后得到濕潤物料；

3)在濕潤物料中加入2+x摩爾份的氫氧化鈉溶液，充分攪拌使混合均勻，烘干脫水并在350℃至600℃下煅燒3-6小時后得到鈉離子載體-碳復合粉體。