一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用

本申请涉及储能电池，尤其涉及一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用。

背景技术：

1、锂离子电池由于具有能量密度高、输出功率大、无记忆效应和环境友好等优点，在移动电子设备、电动汽车、智能电网、航空航天等领域获得了广泛的应用。但是，受限于石墨负极低的理论比容量限制，已无法满足当前各类器件对能量密度的需求。因此，开发更高理论比容量的负极材料迫在眉睫。

2、钠或钾金属电极超高的理论比容量和低的氧化还原电势，被认为是构建下一代高比能电池的理想负极材料。然而，到目前为止，以钠或钾金属为负极的二次电池至今没有实现商业化应用，这是由于钠或钾金属负极主要面临的三个问题：(1)金属离子沉积-脱出过程电流密度分布不均，导致沉积不均匀，形成枝晶，造成安全隐患及“死钠或钾”引起不可逆容量的损失；(2)不同于石墨负极的嵌入与脱出工作机制，钠或钾金属的无宿主特性使得其在循环过程有着巨大的体积变化，会导致电极的结构的破坏和电极粉化；(3)不稳定的固态电解质界面会加剧高活性的钠或钾金属与电解液之间的寄生反应，在循环过程中不断消耗，降低电池库伦效率与循环寿命。

3、为了解决上述问题，科研工作者提出了多种改善策略，但无法协同调控枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面的问题。因此，发展一种能够协同解决钠或钾金属电极的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面的技术至关重要。

技术实现思路

1、本申请提供了一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用，以解决现有技术中钠或钾金属电极的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面难以协同解决的问题。

2、第一方面，本申请提供了一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极，所述功能性钠或钾金属电极为无机稀土化合物复合的钠或钾金属所形成的电极；

3、其中，所述功能性钠或钾金属与所述无机稀土化合物的质量比为10～80：90～20；

4、所述无机稀土化合物为稀土金属氟化物。

5、可选的，所述无机稀土化合物还包括稀土金属氧化物和/或稀土金属硫化物。

6、可选的，所述稀土金属包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的至少一种。

7、可选的，所述钠或钾金属电极的厚度为5μm～500μm。

8、第二方面，本申请提供了一种制备第一方面所述的功能性钠或钾金属电极的方法，所述方法包括：

9、混合所述功能性钠或钾金属和所述无机稀土化合物，后在干燥的惰性气氛中进行加热，并搅拌至所述无机稀土化合物和熔融的所述钠或钾金属反应完全，得到混合液；

10、向铜集流体表面倒入所述混合液，刮涂，冷却，后得到无机稀土化合物复合的钠或钾金属电极。

11、可选的，所述加热温度为100℃～250℃。

12、可选的，所述搅拌时间为5min～30min。

13、可选的，所述干燥的惰性气氛为氩气气氛。

14、可选的，所述干燥的惰性气氛的水含量＜0.1ppm，所述干燥的惰性气氛的氧含量＜0.1ppm。

15、第三方面，本申请提供了一种第一方面所述的功能性钠或钾金属电极在制备电池负极材料中的应用。

16、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

17、本申请实施例提供的一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极，通过限定无机稀土化合物为稀土金属氟化物，并且限定功能性钠或钾金属电极的组成原料，利用功能性钠或钾金属与稀土金属氟化物反应生成的氟化钠或氟化钾和稀土合金来稳定金属钠或钾电极，其中，氟化钠或氟化钾和稀土合金可作为电极骨架，释放充放电过程中产生的应力，缓解体积膨胀；同时，氟化钠或氟化钾还可以强化固态电解质界面，物理阻隔金属钠/钾与电解液的直接接触，抑制界面寄生反应；此外，稳定的电极界面(均化离子流)和稀土合金(作为形核位点)，可诱导金属均匀沉积，抑制枝晶生长；因此，该功能性钠或钾金属电极可以协同解决钠或钾金属电极面临的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面问题。

技术特征：

1.一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述功能性钠或钾金属电极为无机稀土化合物复合的钠或钾金属所形成的电极；

2.根据权利要求1所述的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述无机稀土化合物还包括稀土金属氧化物和/或稀土金属硫化物。

3.根据权利要求2所述的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述稀土金属包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的功能性钠或钾金属电极，其特征在于，所述钠或钾金属电极的厚度为5μm～500μm。

5.一种制备如权利要求1-4任一项所述的功能性钠或钾金属电极的方法，其特征在于，所述方法包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加热温度为100℃～250℃。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述搅拌时间为5min～30min。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述干燥的惰性气氛为氩气气氛。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述干燥的惰性气氛中水含量＜0.1ppm，所述干燥的惰性气氛的氧含量＜0.1ppm。

10.一种如权利要求1-4任一项所述的功能性钠或钾金属电极在制备电池负极材料中的应用。

技术总结
本申请涉及储能电池技术领域，尤其涉及一种基于无机稀土化合物的功能性钠或钾金属电极的制备方法和应用；所述功能性钠或钾金属电极为无机稀土化合物复合的钠或钾金属所形成的电极；其中，所述功能性钠或钾金属与所述无机稀土化合物的质量比为10～80：90～20；所述无机稀土化合物为稀土金属氟化物；通过限定无机稀土化合物为稀土金属氟化物，并且限定功能性钠或钾金属电极的组成原料，利用功能性钠或钾金属同稀土金属氟化物反应生成氟化钠或氟化钾和稀土合金，可以协同解决钠或钾金属电极的枝晶生长、体积膨胀和不稳定界面。

技术研发人员：高余良
受保护的技术使用者：内蒙古大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12