一种钠离子电池及其制备方法与流程

本发明属于电池材料加工，具体涉及一种钠离子电池及其制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池是当今电池行业的绝对主流，发展迅速，推动了智能手机、笔记本电脑和电动汽车等诸多领域的革命性进步。然而，锂是一种相对稀缺的元素，地壳丰度只有0.0017％，因此人们一直在寻找一种新的可充电电池来代替锂电。钠元素在地壳中的储量是锂的上千倍，且它们的性质与锂类似，钠离子电池与锂离子电池有着相似的“摇椅式”充放电原理，因此被寄予厚望。

2、而作为锂离子电池中常用的阳极石墨却并不适用于钠离子电池，因为钠离子较大的直径无法在石墨层间进行脱嵌。另外，钠离子也无法和石墨形成稳定的相结构。作为钠离子电池的其他阳极材料也同期被研究，包括石墨化硬碳、合金、氧化物和有机复合物等。然而目前大部分阳极材料都会在钠离子嵌入过程中产生很大的体积膨胀，导致不可逆的容量衰减。同时由于钠离子电池的首次充电会有大量的钠镶嵌在阳极无法回到阴极材料中，造成首次充电效率低。

3、高浓度的电解液能够提升电池的倍率性能及循环寿命，同时减少有机溶剂的使用量，提升电池能量密度。但是高浓度的电解液难以制备，电解质在有机溶剂内分散需极长时间。同时高浓度电解液容易出现过饱和和结晶现象，从而使电解液失效。

4、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术问题至少之一，本发明提供了一种钠离子电池及其制备方法，该制备方法利用含电解质的高分子粘结剂胶替代传统的隔膜，减少了电池重量，提高了电池的能量密度。在替代硬碳作电池阳极的纳米碳纤维中预埋了纳米级钠离子导体电解质，钠离子导体在溶解于电解液后，纳米碳纤维的孔隙率提高约15％，进而提高了纳米碳纤维比容量，减少了阳极使用量，提高了电池的能量密度。在阴极材料内预埋了纳米级钠离子导体电解质，钠离子导体填充在活性材料之间，能提升正积极片的压实密度。正阳极内钠离子导体溶解后电池内电解质浓度上升，电池倍率性能及循环寿命得到大幅改善。同时在正阳极都是用高度石墨化、大直径纳米碳纤维，兼顾电子、离子导电和导热。提升了极片的导电及散热性能，增加了电池的循环寿命、安全性能和可靠性。

2、本发明的技术方案为：

3、本发明涉及一种钠离子电池的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，电解质搅拌分散在nmp中，利用纳米砂磨机研磨制备电解质/nmp分散液；其中，所述电解质为钠离子导体电解质；

5、步骤2，将电解质/nmp分散液、高分子粘结剂、纳米碳纤维，搅拌均匀混合制得阳极复合浆料a；

6、步骤3，电解质/nmp分散液加入高分子粘结剂，搅拌溶解，制得隔膜复合浆料b；

7、步骤4，阳极复合浆料a在下，隔膜复合浆料b在上双层同时涂布在铝箔上；

8、步骤5，将步骤4所得产品干燥后，裁剪成型，得到极片d；

9、步骤6，电解质/nmp分散液、阴极材料、高分子粘结剂、纳米碳纤维混合，搅拌均匀，制得阴极复合浆料c；

10、步骤7，阴极复合浆料c在下，隔膜复合浆料b在上双层同时涂布在铝箔上；

11、步骤8，将步骤7所得产品干燥后，裁剪成型，得到极片e；

12、步骤9，极片d、e按照浆料b干燥后一面贴合后，内芯封装，加注电解液，小电流多次充放电，电解液扩散、溶解电解质，制得钠离子电池。

13、优选地，步骤1中，所述钠离子导体电解质为六氟磷酸钠、四氟硼酸钠、高氯酸钠、氟磺酸类钠盐、氟磺酰亚胺类钠盐中的一种或多种；电解质/nmp分散液中电解质质量含量为3～15％，电解质研磨要求粒径d50小于100nm。

14、优选地，步骤2中，阳极复合浆料a中电解质、高分子粘结剂、纳米碳纤维的质量比例为3.33～6.66％∶0.3～2.5％∶7.5～10.5％。

15、优选地，步骤3中，隔膜复合浆料b中电解质、高分子粘结剂质量比例为3～10％∶5～15％。

16、优选地，步骤4中，阳极复合浆料a涂布干燥后膜厚度5～30μm，隔膜复合浆料b涂布干燥后膜厚度3～30μm。

17、优选地，步骤6中,所述钠盐阴极材料为nafe1/3mn1/3ni1/3o2、nav2(po4)3、nafeso4、na3v2(po4)3f中一种；钠盐阴极材料、电解质、高分子粘结剂、纳米碳纤维质量比例为35～55％∶0.55～2.2％∶2～4％∶1～8％。

18、优选地，步骤7中，所述阴极复合浆料c涂布干燥后膜厚度15～100μm，隔膜复合浆料b涂布干燥后膜厚度3～30μm。

19、优选地，步骤9中，所述小电流充放电为0.05～0.2c，充放电次数为5～50次。

20、本发明还涉及一种钠离子电池，采用上述制备方法制得。

21、本发明的有益效果是：

22、(1)本发明的制备方法利用含电解质的高分子粘结剂胶替代传统的隔膜，电池的能量密度提升约5％；

23、(2)本发明在阳极复合浆料加入了纳米碳纤维，阳极纳米碳纤维具有三维网络空间，极大提高了阳极表面积，提前预埋高浓度纳米级电解质，溶解后提高纳米碳纤维孔隙率，减少了阳极纳米碳纤维使用量，使电池的能量密度提升约5％；同时高浓度电解质便于大电流充电放电，超过功率充电也不会产生枝晶；

24、(3)本发明利用在正阳极活性材料中预埋钠离子导体，溶解后提升电解质浓度，可以减少电解液使用量；高浓度电解液大幅降低电芯整体离子传导内阻，便于电池大电流充放电；

25、(4)本发明的方法工艺路线简单，阴极/隔膜/阳极整体由同一种高分子粘结剂基体构成，消除了阴极膜片与隔膜、隔膜与阳极膜片之间的固相接触阻抗；

26、(5)本发明的电池阴极也添加纳米碳纤维，可以提高电极导电及导热能力，便于大电流充放电。

技术特征：

1.一种钠离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述钠离子导体电解质为六氟磷酸钠、四氟硼酸钠、高氯酸钠、氟磺酸类钠盐、氟磺酰亚胺类钠盐中的一种或多种；电解质/nmp分散液中电解质质量含量为3～15％，电解质研磨要求粒径d50小于100nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，阳极复合浆料a中电解质、高分子粘结剂、纳米碳纤维的质量比例为3.33～6.66％∶0.3～2.5％∶7.5～10.5％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，隔膜复合浆料b中电解质、高分子粘结剂质量比例为3～10％∶5～15％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，阳极复合浆料a涂布干燥后膜厚度5～30μm，隔膜复合浆料b涂布干燥后膜厚度3～30μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤6中,所述钠盐阴极材料为nafe1/3mn1/3ni1/3o2、nav2(po4)3、nafeso4、na3v2(po4)3f中一种；钠盐阴极材料、电解质、高分子粘结剂、纳米碳纤维质量比例为35～55％∶0.55～2.2％∶2～4％∶1～8％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤7中，所述阴极复合浆料c涂布干燥后膜厚度15～100μm，隔膜复合浆料b涂布干燥后膜厚度3～30μm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤9中，所述小电流充放电为0.05～0.2c，充放电次数为5～50次。

9.一种钠离子电池，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本发明公开了一种钠离子电池及其制备方法，包括如下步骤：1)制备电解质/NMP分散液；2)将电解质/NMP分散液、高分子粘结剂、纳米碳纤维，搅拌均匀混合得浆料A；3)电解质/NMP分散液加入高分子粘结剂，搅拌溶解，得浆料B；4)浆料A、B双层同时涂布在铝箔上；5)干燥后裁剪成型，得极片D；6)制备电解质/阴极材料/高分子粘结剂/纳米碳纤维的NMP浆料C；7)浆料C，B同时涂布在铝箔上；8)干燥后裁剪成型，得极片E；9)极片D、E按照相同面贴合后内芯封装、注液，小电流多次充放电。本发明的钠离子电池首次充电效率高，倍率性能佳，能量密度高，多次充放电容量保持率好，具有广泛的商业化应用前景。

技术研发人员：薛平,董明
受保护的技术使用者：苏州第一元素纳米技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15