钠熔融盐电池用正极活性材料、钠熔融盐电池用正极和钠熔融盐电池的制作方法_3

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料层3b。负极包 含由第一金属和第二金属构成的负极集电器,所述第二金属覆盖负极集电器的表面的至少 一部分。在这种情况下,第一金属为不与钠合金化的金属,第二金属为与钠合金化的金属。
[0069] 在负极中含有的水分的质量比率优选为300ppm以下。通过例如在减压下于 90°C~200°C的温度下将负极干燥2小时~24小时可以将负极中含有的水分的质量比率降 低至300ppm以下。干燥气氛的压力为例如IOPa以下且优选控制为IPa以下。与在正极中 一样,通过预先用惰性气体或具有_50°C以下的露点温度的干燥空气替换处理气氛中的空 气可以更有效地去除水分。
[0070] 可以通过卡尔费休法以用于正极的相同方式对在负极中含有的水分的质量比率 进行测定,不同之处在于,将负极用作样品。
[0071] 可以将金属箱、由玻璃纤维制成的无纺布、金属多孔片等用作由第一金属构成的 负极集电器。第一金属优选为铝、铝合金、铜、铜合金、镍、镍合金等,因为这样的金属不与钠 合金化且在负极电位下是稳定的。其中,考虑到优异的轻质性,铝和铝合金是优选的。例 如,可以将作为用于正极集电器的实例加以说明的相同铝合金用作铝合金。用作负极集电 器的金属箱的厚度为例如10ym~50ym,且金属纤维无纺布或金属多孔片的厚度为例如 IOOym~600ym。另外,可以在负极集电器3a上形成集电用引线片3c。引线片3c可以如 图3中所示与负极集电器一体化形成或可以通过焊接等将单独形成的引线片连接至负极 集电器。
[0072] 第二金属的实例包括锌、锌合金、锡、锡合金、硅、硅合金等。其中,考虑到与熔融 盐的良好润湿性,优选锌和锌合金。由第二金属构成的负极活性材料层的厚度优选为例如 0. 05ym~lym。另外,在锌合金或锡合金中的除锌或锡外的金属成分(例如Fe、Ni、Si、 Mn等)的量优选为0. 5质量%以下。
[0073] 负极的优选形式的实例包括由铝或铝合金(第一金属)和覆盖负极集电器的表面 的至少一部分的锌、锌合金、锡或锡合金(第二金属)构成的负极集电器。这种负极具有高 容量且在长时间内的劣化少。
[0074] 通过例如将第二金属的片附着或压结至负极集电器可以制造由第二金属构成的 负极活性材料层。另外,可以通过气相方法如真空沉积法和溅射方法将第二金属汽化和附 着至负极集电器,或可以通过电化学方法如电镀方法附着第二金属的微粒子。通过气相方 法或电镀方法可以形成薄且均匀的负极活性材料层。
[0075] 负极活性材料层3b可以为这样的混合物,所述混合物含有作为必要成分的负极 活性材料且还含有作为任选成分的粘结剂、导电剂等。可以将作为用于正极的组成成分描 述的材料的相同实例用于在负极中使用的粘结剂和导电剂。基于1〇〇质量份的负极活性材 料,粘结剂的量优选为1质量份~10质量份,更优选3质量份~5质量份。基于100质量份 的负极活性材料,导电剂的量优选为5质量份~15质量份,更优选5质量份~10质量份。
[0076] 从热稳定性和电化学稳定性的观点来看,优选将含钠的钛化合物和难石墨化碳 (硬碳)等用作组成负极混合物层的负极活性材料。含钠的钛化合物优选为钛酸钠,更具 体地,优选使用选自Na2Ti3O7和NaJi5O12中的至少一种。另外,钛酸钠的Ti或Na可以部 分地被另外的元素取代。可以使用的化合物的实例包括Na2xM5xTi3yM6y07(0彡X彡3/2, 0彡y彡8/3,M5和M6各自独立的为除Ti和Na外的金属元素,例如为选自Ni、Co、Mn、Fe、 Al和Cr中的至少一种)、Na4 ,M7xTi5yMsy012(0彡X彡11/3,0彡y彡14/3,M7和M8各自独立 的为除Ti和Na外的金属元素,例如为选自Ni、Co、Mn、Fe、Al和Cr等中的至少一种)。含 钠的钛化合物可以单独使用或以多种类型的组合使用。含钠的钛化合物可以与难石墨化碳 结合。另外,M5和M7各自为占据Na位点的元素,M6和M8各自为占据Ti位点的元素。
[0077] 难石墨化碳为即使通过在惰性气氛中加热也不生长石墨结构的碳材料,并表示含 有以任意方向排列的微小石墨晶体且在晶体层间具有纳米级孔隙的材料。由于作为代表性 碱金属的钠离子的直径为〇. 95埃,所以优选孔隙的尺寸充分地大于这一直径。从增强负 极活性材料在负极中的填充性质和抑制与电解质(熔融盐)的副反应的观点来看,难石墨 化碳的平均粒径(在体积粒度分布中在50%累积体积处的粒径D50)可以为例如3ym~ 20ym,优选为5ym~15ym。从确保钠离子可接受性和抑制与电解质的副反应的观点来 看,难石墨化碳的比表面积可以为例如lm2/g~10m2/g,优选为3m2/g~8m2/g。难石墨化碳 可以单独使用或以多种类型的组合使用。
[0078][电解质(熔融盐)]
[0079] 将在电池的工作温度区域(优选90°C以下,更优选70°C以下)内变成离子液体的 盐用作电解质(熔融盐)。熔融盐至少含有钠离子作为阳离子,所述钠离子在熔融盐电池中 用作载流子。
[0080] 在电解质中含有的钠离子的浓度优选占在电解质中含有的阳离子的2摩尔%以 上且进一步5摩尔%以上。这样的电解质具有优异的钠离子传导性且即使在以高电流进行 充放电的情况下也可以容易地获得高容量。
[0081] 可以使用的熔融盐的实例包括由N(SC)2X1) (SO2X2) ?M(其中X1和X2各自独立地为 氟原子或具有1~8个碳原子的氟烷基,且M为碱金属或具有含氮杂环的有机阳离子)表 示的化合物。N(SC)2X1) (SO2X2) ?M至少包括N(SC)2X1) (SO2X2) ?Na。
[0082] 在钠熔融盐电池中,隔膜置于正极与负极之间,且将熔融盐浸渍在隔膜的孔隙中。 在形成电池前,在熔融盐中含有的水分的量按质量比率计优选为例如IOOppm以下,更优选 为50ppm以下,特别优选为IOppm以下。通过使用所述熔融盐和各自具有充分降低的水分 量的正极、负极和隔膜,可以令人满意地降低在钠熔融盐电池中含有的水分的量(包含来 自正极、负极和隔膜的水分)。
[0083] 由X1和X2表示的氟烷基可以为其中一些氢原子被氟原子取代的烷基或可以为其 中全部氢原子都被氟原子取代的全氟烷基。从降低离子液体粘度的观点来看,优选X1和X2 中的至少一个为全氟烷基,且更优选X1和X2两者均为全氟烷基。具有1~8个碳原子可以 抑制电解质熔点的增加且由此有利于形成低粘度离子液体。特别地,从制造低粘度离子液 体的观点来看,全氟烷基优选具有1~3个碳原子,更优选1或2个碳原子。具体地,X1和 X2可以各自独立的为三氟甲基、五氟乙基、六氟丙基等。
[0084] 由N(SO2X) (SO2X2)表示的双磺酰亚胺阴离子的具体实例包括双(氟磺酰)亚胺阴 离子(FSA)、双(三氟甲基磺酰)亚胺阴离子(TFSA)、双(五氟乙基磺酰)亚胺阴离子、氟 磺酰三氟甲基磺酰亚胺阴离子(N(FSO2) (CF3SO2))等。
[0085] 由M表示的除钠外的碱金属的实例包括钾、锂、铷和铯。其中钾是优选的。
[0086] 可以将具有吡咯烷拎骨架、咪唑猶骨架、吡啶骨架、哌啶德骨架等的阳离子用作 由M表示的具有含氮杂环的有机阳离子。特别地,考虑到其可以形成具有低熔点的熔融盐 且还在高温下稳定,优选具有吡咯烷鐵骨架的阳离子。
[0087] 具有吡咯烧Il骨架的有机阳离子由例如通式(1)表示:
[0088] [化学式1]
[0089]
[0090] 其中R1和R2各自独立的为具有1~8个碳原子的烷基。具有1~8个碳原子可 以抑制电解质熔点的增加且由此有利于形成低粘度离子液体。特别地,从制造低粘度离子 液体的观点来看,优选烷基具有1~3个碳原子,更优选1或2个碳原子。具体地,R1和R2 可以各自独立为甲基、乙基、丙基、异丙基等。
[0091] 具有吡咯烷鐵骨架的有机阳离子的具体实例包括甲基丙基吡咯烷_阳离子、乙 基丙基吡咯烷阳离子、甲基乙基吡咯烷鐵阳离子、二甲基吡咯烷輸阳离子、二乙基吡咯 烷編阳离子等。这些可以单独使用或以多种类型的组合使用。其中,考虑到高的热稳定性 和电化学稳定性,甲基丙基吡咯烷键阳离子(Pyl3+)是特别优选的。
[0092] 熔融盐的具体实例包括钠离子和FSA的盐(NaFSA)、钠离子和TFSA的盐 (NaTFSA)、Pyl3+和FSA的盐(Pyl3FSA)、Pyl3 +和TFSA的盐(Pyl3TFSA)等。
[0093] 熔融盐优选具有尽可能低的熔化温度。从降低熔融盐的熔点的观点来看,优选使 用两种以上的盐的混合物。例如,当使用钠与双磺酰亚胺阴离子的第一种盐时,优选与第一 种盐组合使用除钠外的
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