一种用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系及其应用的制作方法

本发明属于钠离子电池，具体涉及一种用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系及其应用。

背景技术：

1、近年来，对电能生产和大规模电网存储不断增长的需求导致了对钠离子电池的研究工作激增。鉴于锂在地球上的含量低且成本相对较高，预计用于电网存储的钠离子电池的开发对于缓解锂离子电池的压力至关重要，因为便携式电子设备和电动汽车的激增可能会给锂供应带来不可逾越的负担。此外，钠的使用还有其他可持续性意义，如可以使用无钴正极材料、负极材料所需的铜集流体也可以用铝集流体代替，这对于电网规模应用尤其重要。

2、然而，寻找具有合适的na电压存储、大的可逆容量和高结构稳定性的负极仍然是钠离子电池发展的障碍。目前较为成熟的钠离子电池体系为硫钠电池，但硫钠电池本身必须以硫单质或硫化合物为正极，以金属钠为负极，导致在运输、组装、使用等环节存在较大的安全风险和诸多不便，从而限制了硫钠电池的大范围应用。目前商业化较为广泛的钠离子电池采用硬碳负极，硬碳可以提供高达352mah g-1的比容量，因为小维石墨烯层的随机排列提供了显著的孔隙度，能够容纳na+，然而其倍率性能通常较差，不可逆容量较高(主要消耗在固体界面膜的形成中)。相比较硬碳负极，石墨作为一种“储存化合物”显示出独特的能力。它的弱结合层状结构与离域电子相结合，提供了大量的化学插层反应，能够存储阳离子和阴离子。在不同的碳同素异形体(石墨和金刚石)和相关的纳米结构(石墨烯、纳米管和纳米纤维、富勒烯)中，石墨在技术上是最成熟的一种。然而，在钠离子电池传统碳酸酯电解液中，石墨报告的容量值相当低，通常在20-40mah g-1的范围内。

3、因此，在钠离子电池中使用石墨为负极材料的前景似乎并不乐观。研究者们对适用于石墨负极的电解液也进行了大量研究，其中最适宜的电解液为醚基电解液，如二乙二醇二甲醚等，但醚基电解液所能提供的比容量仅100-110mah g-1，无法满足当前对高能量密度电池的需求。另一方面，醚基电解液的粘度较高，限制了其进一步的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种新型钠离子电池电解液的设计方案，所设计的电解液在常温下具有优于常规电解液的充放电容量和循环稳定性。该电解液组分简单，仅含单一有机溶剂和钠盐。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系，包括电解液、以及通过所述电解液连接的正极和负极；所述电解液包括电解质钠盐和1-甲基咪唑(mi)；所述负极中不含有钠元素。

4、因醚类溶剂在石墨层中经过数千次循环后仍能表现出良好的性能，表明石墨负极在钠离子电池中具有很大的应用潜力。因此，通过不断探究与石墨负极相匹配的电解液，本发明成功发现一种从未在钠离子电池以及锂离子电池中用过的溶剂，该溶剂与1m钠盐组成的电解液可使石墨负极在500ma g-1的高电流密度下稳定循环3000圈后比容量仍然高达125mah g-1，展现出优异的循环性能和倍率性能。

5、优选的，所述电解液中，所述电解质钠盐在所述1-甲基咪唑中的浓度包括1～3m。

6、优选的，所述电解液中，所述电解质钠盐在所述1-甲基咪唑中的浓度包括1m。

7、优选的所述电解液中，所述电解质钠盐包括三氟甲磺酸钠(naotf)、六氟磷酸钠、高氯酸钠、双三氟甲烷磺酰亚胺钠、双三氟甲基磺酰基酰亚胺钠中的一种或多种。

8、优选的所述电解液中，所述负极包括石墨负极、硬碳负极中的一种或多种。

9、优选的，一种上述用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系的应用，其特征在于，用于制备钠离子电池。

10、优选的，所述钠离子电池包括半电池。

11、本发明的钠电池体系可用于制备半电池或全电池。在应用于半电池时，为了方便测试，一般使用钠片做为参比电极/对电极，同时提供钠源。但在应用于全电池时，就不必使用金属钠，钠源也可以由电解液供给。

12、一种上述应用获得的钠离子电池。

13、一种上述钠离子电池的制备方法，包括如下步骤：

14、a、将所述电解质钠盐和所述1-甲基咪唑混合，获得所述电解液；

15、b、将石墨、粘接剂、导电剂与溶剂一同进行球磨，获得石墨浆料；

16、c、将所述石墨浆料涂覆于铜箔上，并进行干燥，获得所述负极；

17、d、将所述电解液、所述负极装配到电池壳中，以与所述电池壳垫片直径一致的钠片做为参比电极/对电极，并设置隔膜，获得所述钠离子电池。

18、优选的，所述钠离子电池包括石墨/钠半电池；步骤a中：所述电解液制备后使用聚四氟乙烯材质容器封存；步骤b中：使用球磨机制浆，球磨时间包括5.5小时以上；所述粘接剂包括海藻酸钠(sa)；所述导电剂包括乙炔黑；所述溶剂包括n-甲基吡咯烷酮；步骤c中：所述石墨浆料涂覆于所述铜箔上的涂覆厚度包括50μm；所述干燥包括鼓风干燥箱和真空干燥箱；先通过80℃鼓风干燥箱烘干2小时，再通过120℃真空干燥箱烘干12小时，完成所述干燥，获得所述负极；步骤d中，所述电池壳包括2032型号电池壳；所述负极的直径包括12mm；所述电池壳垫片包括直径15.6mm的钢质垫片；所述电解液的用量包括140μl，所述隔膜包括直径18mm的玻璃纤维。

19、与现有技术相比较，实施本发明，具有如下有益效果：

20、(1)当钠盐的浓度为1m时，石墨/钠半电池在常温下的充放电容量较高且倍率性能特别优异，充放电容量显著提高的主要因素是电解液的不可逆分解等副反应减少，降低了界面阻抗，显著提升了界面稳定性。

21、(2)溶剂mi首次被应用于钠离子电池，通过石墨/钠半电池的性能对比，证实该溶剂与传统碳酸脂电解液和醚电解液相比，其充放电容量和循环稳定性显著提升，此实验结果对钠离子电池电解液的设计与优化有一定的参考价值。

22、(3)mi电解液是继2014年醚电解液被发现以来，首次提出的适用于钠离子电池石墨负极的新型电解液，成本低廉，非常有利于钠离子电池实际应用及长期使用，可加快钠离子电池的商业化进程。

技术特征：

1.一种用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系，其特征在于，包括电解液、以及通过所述电解液连接的正极和负极；所述电解液包括电解质钠盐和1-甲基咪唑；所述负极中不含有钠元素。

2.如权利要求1所述用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系，其特征在于，所述电解液中，所述电解质钠盐在所述1-甲基咪唑中的浓度包括1～3m。

3.如权利要求1所述用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系，其特征在于，所述电解液中，所述电解质钠盐在所述1-甲基咪唑中的浓度包括1m。

4.如权利要求1所述用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系，其特征在于，所述电解液中，所述电解质钠盐包括三氟甲磺酸钠、六氟磷酸钠、高氯酸钠、双三氟甲烷磺酰亚胺钠、双三氟甲基磺酰基酰亚胺钠中的一种或多种。

5.如权利要求1所述用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系，其特征在于，所述电解液中，所述负极包括石墨负极、硬碳负极中的一种或多种。

6.一种如权利要求1所述用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系的应用，其特征在于，用于制备钠离子电池。

7.如权利要求6所述应用，其特征在于，所述钠离子电池包括半电池。

8.一种如权利要求6所述应用获得的钠离子电池。

9.一种如权利要求8所述钠离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.如权利要求9所述钠离子电池的制备方法，其特征在于，所述钠离子电池包括石墨/钠半电池；步骤a中：所述电解液制备后使用聚四氟乙烯材质容器封存；步骤b中：使用球磨机制浆，球磨时间包括5.5小时以上；所述粘接剂包括海藻酸钠；所述导电剂包括乙炔黑；所述溶剂包括n-甲基吡咯烷酮；步骤c中：所述石墨浆料涂覆于所述铜箔上的涂覆厚度包括50μm；所述干燥包括鼓风干燥箱和真空干燥箱；先通过80℃鼓风干燥箱烘干2小时，再通过120℃真空干燥箱烘干12小时，完成所述干燥，获得所述负极；步骤d中，所述电池壳包括2032型号电池壳；所述负极的直径包括12mm；所述电池壳垫片包括直径15.6mm的钢质垫片；所述电解液的用量包括140μl，所述隔膜包括直径18mm的玻璃纤维。

技术总结
本发明属于钠离子电池技术领域，公开了一种用于提高钠离子电池负极充放电容量的钠电池体系及其应用，包括电解液、以及通过所述电解液连接的正极和负极；所述电解液包括电解质钠盐和1‑甲基咪唑；所述负极中不含有钠元素。本发明提供一种新型钠离子电池电解液的设计方案，所设计的电解液在常温下具有优于常规电解液的充放电容量和循环稳定性。该电解液组分简单，仅含单一有机溶剂和钠盐。

技术研发人员：邢丽丹,刘明珠,何嘉荣,李钊,吴灿
受保护的技术使用者：广东金光高科股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16