[發明專利]鈉金屬電池、電化學裝置

在審

• 申請號: 202210396007.4
• 申請日: 2021-06-26
• 公開（公告）號: CN114824167A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 曾毓群
• 申請（專利權）人: 寧德時代新能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 李劍

本申請涉及一種鈉金屬電池、電化學裝置，所述電池包括正極極片和負極極片，所述負極極片為負極集流體，所述電池在首次充放電后在所述負極集流體上原位沉積鈉層的厚度≥30nm其中，所述正極極片中正極活性物質的首次充電容量為Q_C mAh/g、首次放電容量Q_DmAh/g、正極活性物質涂敷質量C_W g/cm²及鈉金屬的理論體積克容量為X mAh/cm³滿足：所述負極集流體的至少部分表面設置導電涂層，所述導電涂層的厚度為1μm～10μm。

本申請是基于申請號為202110742607.7、申請日為2021年06月26日、發明名稱為“鈉金屬電池、電化學裝置”的發明申請提出的分案申請。

技術領域

本申請涉及鈉電池技術領域，尤其涉及鈉金屬電池、電化學裝置。

背景技術

隨著鋰離子電池技術在消費電子、電動汽車、儲能等市場的應用逐步擴大，鋰資源不足問題也開始突顯。鈉基電池因地球具有足夠高的鈉元素豐度而逐步受到關注，并在儲能等成本要求較高的應用領域具有重要的戰略地位。受制于金屬鈉相對金屬鋰更高的還原電勢、更大的相對分子質量，相似工作原理的鈉離子電池的能量密度較鋰離子電池下降顯著；鈉離子更大的離子半徑也使得其在正負極材料中嵌入脫出時伴隨更大的體積膨脹，造成電池的循環可逆性下降，這些都顯著制約了鈉離子電池的應用推廣。隨著電解質及其添加劑技術、表面修飾技術的發展進步，長期困擾學術界的金屬表面不均勻沉積導致的鈉枝晶生長問題得到顯著改善，產品安全性能有望顯著提升，使得高能量密度的鈉金屬負極重新進入人們的視野。為進一步獲得更高的電芯能量密度，通過正極材料脫鈉原位沉積至負極集流體的“無負極”鈉金屬電池也被研究出來。同時負極側不用預先涂敷/沉積高活性的鈉金屬也大大提升了電芯的制造可行性及安全性。但無負極鈉金屬電池在負極集流體表面沉積需要更高的過電勢，同樣容易導致不均勻鈉沉積，加劇與電解液的副反應，極大消耗活性鈉，最終影響電芯的循環性能。

發明內容

鑒于此，本申請為了克服上述缺陷，提供一種鈉金屬電池、電化學裝置，在充放電過程中，鈉金屬能夠在負極集流體表面形成一層均勻的鈉沉積層，保證充放電過程的可逆性。

第一方面，本申請實施例提供了一種鈉金屬電池，所述電池包括正極極片和負極極片，所述負極極片為負極集流體，所述電池在首次充放電后在所述負極集流體上原位沉積鈉層的厚度≥30nm。

在上述技術方案中，本申請的鈉金屬電池，其負極活性材料通過正極脫鈉沉積原位形成，電芯經首次充放電后，受正極活性材料首次脫出/嵌入鈉的不完全可逆性，會存在部分鈉金屬殘留在負極側而不能返回至正極。受制于負極集流體表面的不均勻性及鈉金屬與電解液反應的高活性，當殘留的金屬鈉總量較低時，其在集流體表面的分布呈現明顯的不均勻性，有活性鈉殘留區域相對無鈉殘留區域由于具有更低的成核能(對應低的沉積過電勢)更容易在隨后的充電過程中沉積鈉金屬，會進一步加劇鈉沉積的不均勻問題，最終導致高活性區域(尖端、枝晶區域)與電解液的副反應加劇，最終導致活性鈉的消耗及電池性能的衰退。本申請利用正極材料首次不可逆容量及電芯設計優化，在電芯首次充放電后，殘留鈉金屬量足夠多以能夠在集流體表面均勻形成一層有一定厚度的鈉沉積層，以此來避免隨后充放電循環過程中鈉沉積至集流體表面所需的更高的成核能，降低整體的沉積過電勢，保證鈉金屬的沉積均勻性及充放電過程的可逆性。具體地，要求電芯首次充放電后負極的鈉沉積厚度≥30nm。

可選地，所述正極極片中正極活性物質的首次充電容量為Q_CmAh/g、首次放電容量Q_D mAh/g、正極活性物質涂敷質量C_W g/cm²及鈉金屬的理論體積克容量為X mAh/cm³滿足以下公式：

可選地，所述負極集流體包括鋁基集流體，所述鋁基集流體包含如下技術特征中至少一種：