一种提升锡基负极材料钠离子电池电化学性能的方法

：本发明涉及一种提升锡基负极材料钠离子电池电化学性能的方法，属于钠离子电池。

背景技术

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背景技术：

1、能源，是人类赖以生存的基础。其中，电能作为一种高效的能量载体，已经成为了人类日常生活中普遍使用和必不可少的一种资源。目前各种储能技术中，以锂离子电池作为代表，其具有工作电压高、能量密度大、安全性好、循环性能好、工作温度宽、自放电现象不明显以及不存在记忆效应等特点，因此当前锂离子电池已成为首选的储能电池。然而锂资源的稀缺、锂资源地域分布差异以及高成本大大限制了锂离子电池在大规模储能方面的应用。

2、具有与锂离子电池相似储能机制的钠离子电池得到了广泛研究人员的关注。对于钠离子电池，钠元素在地壳中分布均匀且原料价格低廉。然而，研究表明应用最广泛的商业化锂离子电池负极材料---石墨，几乎不具备储钠性质。因此，寻找合适的钠离子电池负极材料对实现钠离子电池在大规模储能方面的应用至关重要。此外，非碳钠嵌入型负极相对较少，主要是少数过渡金属氧化物，其中大多数过渡金属氧化物的嵌钠电位太高而没有实际用途。合金化反应机制通常发生在较低的电势，因此有利于能量密度的大幅度提升。在所有的合金类负极材料中，锡基负极材料具有很大的发展潜力，因为其具有较低的反应电位和较高的理论比容量，单质sn的嵌钠容量为847mah g-1。但是，锡基材料在合金化过程中会发生较大的体积膨胀(420％)。巨大的体积膨胀会使得活性物质粉化脱落，造成电池的电化学性能迅速衰减。

3、为了获得更好的电化学性能，研究人员合成了更精细且有效的纳米结构。但纳米结构同时存在以下缺点：(1)纳米材料的比表面积大，使纳米结构的电极与电解液具有较大的接触面积，增加副反应发生的几率；(2)与微米级结构的电极相比，纳米结构的电极压实密度较低，降低了电极的体积容量密度。

4、因此，如何采用简单的，低成本的手段提升锡基负极材料钠离子电池的电化学性能十分必要，促进钠离子电池在未来实际的生产生活中广泛应用。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种提升锡基负极材料钠离子电池电化学性能的方法。发明概述：

2、本发明通过向背景电解液中添加一定浓度的简单阳离子盐kpf6，在电池的充放电过程中k+能够吸附在sn金属表面，起到静电屏蔽的作用，消除锡负极表面因不均匀钠化造成的局部电场分布不均问题，进而消除锡负极局部应力过大的问题，使得锡基负极极片在长时间循环过程中能够保持结构的稳定，大幅度提升电池的循环稳定性。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种提升锡基负极材料钠离子电池电化学性能的方法，该方法向电池背景电解液中添加kpf6，使背景电解液中kpf6的浓度达到0.01-0.05m，在循环过程中起静电屏蔽作用，消除锡负极表面因不均匀钠化造成的局部电场分布不均问题，消除锡负极局部应力过大的问题。

5、根据本发明优选的，背景电解液中kpf6的浓度为0.02m。

6、根据本发明优选的，该锡基负极材料钠离子电池的背景电解液为napf6-diglyme溶液，napf6-diglyme溶液为napf6溶于二乙二醇二甲醚(diglyme)的混合液，napf6的浓度为1.0mol/l。

7、根据本发明优选的，该锡基负极材料钠离子电池的负极片是按如下方法制得：将μ-sn粉、导电剂、粘结剂以7:2:1的质量比充分混合后，加入溶剂，以300r/min的转速球磨4小时，将制得的浆料涂覆在铜箔上，并在60℃下真空干燥，经过滚压后切割成极片，单位面积上活性物质为1.3mg cm-2。

8、根据本发明优选的，μ-sn粉粒径为5-15μm。

9、根据本发明优选的，负极片的导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)，溶剂为氮甲基吡咯烷酮(nmp)。

10、根据本发明优选的，正极片是按如下方法制得：

11、将活性材料、导电剂、粘结剂，按质量比8:1:1的比例混合后，加入氮甲基吡咯烷酮(nmp)，球磨成浆料后涂覆在铝箔上，涂覆后于100℃下干燥，干燥后滚压，切割成极片，单位面积上活性物质的质量为7-8mg cm-2。

12、根据本发明优选的，正极片导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)。

13、根据本发明优选的，当组成钠离子半电池时，正极片上的活性物质为na片，当组成钠离子全电池时，正极片上的活性物质为nav2(po4)3/rgo。

14、根据本发明优选的，该锡基负极材料钠离子电池的的隔膜为whatman gf/f玻璃纤维膜。

15、本发明的钠离子电池具有以下几个显著的特点：

16、1、本发明采用最简单的手段，向背景电解液中添加一定浓度的简单阳离子盐kpf6，不需要流程复杂的材料制备过程，过程极其简单，大幅度提升了其循环稳定性，与利用背景电解液进行测试的电池相比，本发明方法得到的锡负极电池在2.0ag-1的电流密度下循环3000次后依旧可以保持565.0mah g-1的质量比容量。而未添加背景阳离子盐kpf6的电解液进行测试的电池在循环34圈后就已经出现了过充现象并死亡。本发明相较于从材料角度改善电池性能来说，操作更简单，成本更低。

17、2、本发明选用的微米级商业sn粉作为负极材料，相较于纳米级材料，其成本更低、不需要预处理、更适合大规模生产，且不会因为巨大的比表面积而产生过多的sei膜，为电池的长时间循环提供了保障。

技术特征：

1.一种提升锡基负极材料钠离子电池电化学性能的方法，该方法向电池背景电解液中添加kpf6，使电解液中kpf6的浓度达到0.01-0.05m，在循环过程中起静电屏蔽作用，消除锡负极表面因不均匀钠化造成的局部电场分布不均问题，消除锡负极局部应力过大的问题。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电解液中kpf6的浓度为0.02m。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该锡基负极材料钠离子电池的背景电解液为napf6-diglyme溶液，napf6-diglyme溶液为napf6溶于二乙二醇二甲醚(diglyme)的混合液，napf6的浓度为1.0mol/l。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该锡基负极材料钠离子电池的负极片是按如下方法制得：将μ-sn粉、导电剂、粘结剂以7:2:1的质量比充分混合后，加入溶剂，以300r/min的转速球磨4小时，将制得的浆料涂覆在铜箔上，并在60℃下真空干燥，经过滚压后切割成极片，单位面积上活性物质为1.3mg cm-2。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，μ-sn粉粒径为5-15μm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，负极片的导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)，溶剂为氮甲基吡咯烷酮(nmp)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，正极片是按如下方法制得：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，正极片导电剂为乙炔黑，粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当组成钠离子半电池时，正极片上的活性物质为na片，当组成钠离子全电池时，正极片上的活性物质为nav2(po4)3/rgo。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该锡基负极材料钠离子电池的的隔膜为whatman gf/f玻璃纤维膜。

技术总结
本发明涉及一种提升锡基负极材料钠离子电池电化学性能的方法，该方法通过向背景电解液中添加简单阳离子盐KPF6，在电池充放电过程中起到静电屏蔽作用，消除锡负极局部体积应力过大的问题，大幅度提升电极的结构稳定性，进而大幅度提升电池的循环稳定性。在背景组电池循环测试结果表明，电池在循环34圈后电池即出现过充死亡现象，本发明方法得到的锡负极电池在2.0Ag‑1的电流密度下，稳定循环3000圈后仍可以保持565.0mAh g‑1的质量比容量。相较于其它制备合成材料的方法，本发明的方法更简单，成本更低。

技术研发人员：杨剑,郑成
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27