一種石墨烯基鈉離子電池制造技術

本發明專利技術涉及電池技術領域，特別涉及一種石墨烯基鈉離子電池，包括正極片、負極片、設置于正極片和負極片之間的隔膜和電解液，負極片包括負極集流體和設置于負極集流體上的負極涂層，負極涂層包括負極活性物質；電解液包括非水系溶劑和溶解于非水系溶劑中的鈉鹽，非水系溶劑包括至少一種通式（1）或者通式（2）的醚類化合物：R1?O?R2??(1)；R1?O?(R3?O)

Graphene based sodium ion battery

The invention relates to the technical field of battery, in particular to a graphene based sodium ion battery, separator and electrolyte includes an anode plate and a cathode plate, is arranged between the positive plate and the negative plate, the negative plate comprises a cathode current collector and is arranged on the negative cathode coating fluid on the negative electrode coating includes an anode active material; electrolyte including a nonaqueous solvent and sodium salt dissolved in a nonaqueous solvent, a nonaqueous solvent comprising at least one compound of the general formula (1) or general formula (2) ether compounds: R1 O R2 (1); R1 O (R3 O)

【技術實現步驟摘要】
一種石墨烯基鈉離子電池
本專利技術涉及電池的
，特別涉及一種石墨烯基鈉離子電池。
技術介紹
近年來，隨著電子設備、電動工具、小功率電動汽車等迅猛發展，研究高效能、資源豐富以及環境友好的儲能材料及器件是人類社會實現可持續發展的必要條件。目前主要的儲能器件為鋰離子電池，隨著鋰離子電池應用領域從便攜式電子設備向電動汽車、大規模儲能裝置的快速擴展，對鋰的需求量會急劇增大，但有限的鋰資源和較高的價格限制了其在智能電網和可再生能源等大規模儲能體系的應用。鈉是地球上儲量較為豐富的元素之一，其與鋰的化學性質類似。因此鈉離子電池與鋰離子電池相類似，也是一種很有應用前景的電池材料。與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有成本低、安全性能好等突出優勢，因此有望在未來取代鋰離子電池而被廣泛應用。石墨烯具有豐富的表面活性位以及較高的理論比容量，極具成為實用化和商業化鈉離子電池負極的潛力。但是，當采用鋰電商業化的酯類溶劑時，溶劑的還原分解較嚴重，且與石墨烯表面的大量缺陷發生不可逆的反應，造成首次放電時鈉離子消耗嚴重，而反應生成的固態電解質界面(SolidElectrolyteInterphase,SEI)也不穩定，因此首圈庫倫效率極低且循環穩定性不佳，直接阻礙了鈉離子電池的商業化應用。綜上所述，提供一種能解決電解液與石墨烯類粉體材料的強烈不可逆反應并優化首圈庫倫效率、可逆比容量及倍率性能的石墨烯基鈉離子電池十分有必要。
技術實現思路
本專利技術的目的在于：針對現有技術的不足，而提供一種能夠有效降低電解液與石墨烯類粉體材料的不可逆反應且進一步優化綜合電化學性能的鈉離子電池。為了達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種石墨烯基鈉離子電池，包括正極片、負極片、設置于所述正極片和所述負極片之間的隔膜和電解液，所述負極片包括負極集流體和設置于所述負極集流體上的負極涂層，所述負極涂層包括負極活性物質；所述電解液包括非水系溶劑和溶解于所述非水系溶劑中的鈉鹽，所述非水系溶劑包括至少一種通式(1)或者通式(2)所述的醚類化合物：R1-O-R2(1)；R1-O-(R3-O)n-R2(2)；通式(1)和通式(2)中，R1和R2相互獨立地為直鏈或支鏈的C1至C6的烷基以及直鏈或支鏈的C1至C6的羥烷基，R3為直鏈或支鏈的C1-C5的亞烷基，并且n為1-4的整數；所述負極活性物質包括石墨烯類粉體材料。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述非水系溶劑為二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚以及和四乙二醇二甲醚中的至少一種一種或幾種的混合。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述電解液還包括添加劑，所述添加劑與所述非水系溶劑的質量比值為(0.1-20)：100。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述添加劑為亞硫酸乙烯酯(ES)、亞硫酸丙烯酯(PS)、碳酸亞乙烯酯(VC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的至少一種。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述電解液中的鈉鹽的摩爾濃度介于0.2mol/L-5mol/L之間。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述鈉鹽為高氯酸鈉(NaClO4)、六氟磷酸鈉(NaPF6)和三氟甲基磺酸鈉(NaCF3SO3)中的至少一種或幾種的組合。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述石墨烯為純石墨烯、還原氧化石墨烯或摻雜石墨烯(如氮摻雜石墨烯、硼摻雜石墨烯)。當采用還原氧化石墨烯時，因其制備過程中向石墨烯引入一些缺陷，這些缺陷會具有一定的電化學活性，所以可逆比容量相比純石墨烯會有所提升。此外，摻雜石墨烯會改變石墨烯的電子結構，提升導電性并提供一些額外的電化學活性位，改善綜合電化學性能。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，化成后，在所述負極涂層表面形成有SEI膜，所述SEI膜包括外層膜和內層膜；所述外層膜為一層致密、均勻的有機層，成分為醚類溶劑的分解產物聚醚以及分解產物與鈉離子形成的化合物(CH3-CH2)2-O-Na，所述外層膜在整個SEI膜中的含量在5-40％之間；所述內層膜為一層致密、均勻分布的有機和無機混合層，包括1-10wt.％的有機物、1-15wt.％的NaF、1-15wt.％的C-F、1-15wt.％的Na2SO3和1-5wt.％的RSO2OR，所述有機物包括聚醚和(CH3-CH2)2-O-Na，可以促進鈉離子的傳導，提升循環的穩定性。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述石墨烯類粉體的比表面積為100-3000m2/g，比表面積不大時，可以適當提供有效的電化學活性位，提升可逆比容量；當比表面積太大時，會造成電解液的大量不可逆分解，降低可逆比容量。作為本專利技術石墨烯基鈉離子電池的一種改進，所述石墨烯類粉體含有0.1-30wt％的含氧官能團，含氧官能團數量不多時，可以增加可逆比容量；太多時會影響導電性，降低比容量。本專利技術提供的鈉離子電池電解液采用醚類化合物作為非水性溶劑，能夠大幅度提高石墨烯基鈉離子電池的首圈充放電庫倫效率、充放電比容量、循環穩定性能以及倍率性能。使用線狀醚類作為溶劑時，由于“螯合”作用鈉離子極易與線性醚類分子進行溶劑化，結合很緊密。所以當電壓低于0.6-0.8V時，溶劑分解導致的不可逆反應很小；而若是酯類則會發生顯著的溶劑分解，在首圈發生極大的不可逆反應，這是造成首次庫倫效率存在巨大差異的主要原因。此外，石墨烯儲鈉主要是基于表面雙電層和贗電容機理。以醚類作為溶劑的電解液前幾圈充放電結束后形成的固態電解質界面更致密、更均勻且離子導電性更好，更有利于鈉離子的擴散和反應，這是造成循環穩定性和倍率性能顯著提升的主要原因。最后，醚類電解液與石墨烯表面缺陷的可逆反應活性更高，而酯類電解液更易與表面缺陷發生不可逆反應，這是造成充放電比容量存在較大差異的主要原因。本專利技術提供的鈉離子電池電解液采用醚類化合物作為非水性溶劑，能夠大幅度提高石墨烯基鈉離子電池的首圈充放電庫倫效率、充放電比容量、循環穩定性能以及倍率。附圖說明圖1是本專利技術實施例1和對比例1的鈉離子電池首圈和第二圈充放電曲線圖；圖2是本專利技術實施例1和對比例1的鈉離子電池100次充放電循環性能圖；圖3是本專利技術實施例1和對比例1的鈉離子電池倍率性能圖。具體實施方式本專利技術提供了一種石墨烯基鈉離子電池，包括正極片、負極片、設置于所述正極片和所述負極片之間的隔膜和電解液，所述負極片包括負極集流體和設置于所述負極集流體上的負極涂層，所述負極涂層包括負極活性物質；所述隔膜無特殊限定，其可以為常規的鋰離子電池使用的隔膜。所述電解液包括非水系溶劑和溶解于所述非水系溶劑中的鈉鹽，所述非水系溶劑包括至少一種通式(1)或者通式(2)所述的醚類化合物：R1-O-R2(1)；R1-O-(R3-O)n-R2(2)；通式(1)和通式(2)中，R1和R2相互獨立地為直鏈或支鏈的C1至C6的烷基以及直鏈或支鏈的C1至C6的羥烷基，R3為直鏈或支鏈的C1-C5的亞烷基，并且n為1-4的整數；所述負極活性物質為石墨烯類粉體材料。優選的，R1和R2各自相互獨立為選自CH3-、CH3CH2-、CH3CH2CH2-、CH3(CH)3-、-CH2OH、-CH2CH2OH和(CH3)2CH-組成的烷基或羥烷基。具體地，所述線狀醚類可以為二甲醚(DME)、二乙二醇二甲醚(Diglym本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯基鈉離子電池，包括正極片、負極片、設置于所述正極片和所述負極片之間的隔膜和電解液，所述負極片包括負極集流體和設置于所述負極集流體上的負極涂層，所述負極涂層包括負極活性物質；所述電解液包括非水系溶劑和溶解于所述非水系溶劑中的鈉鹽，其特征在于，所述非水系溶劑包括至少一種通式(1)或者通式(2)所述的醚類化合物：R1?O?R2??(1)；R1?O?(R3?O)

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯基鈉離子電池，包括正極片、負極片、設置于所述正極片和所述負極片之間的隔膜和電解液，所述負極片包括負極集流體和設置于所述負極集流體上的負極涂層，所述負極涂層包括負極活性物質；所述電解液包括非水系溶劑和溶解于所述非水系溶劑中的鈉鹽，其特征在于，所述非水系溶劑包括至少一種通式(1)或者通式(2)所述的醚類化合物：R1-O-R2(1)；R1-O-(R3-O)n-R2(2)；通式(1)和通式(2)中，R1和R2相互獨立地為直鏈或支鏈的C1至C6的烷基以及直鏈或支鏈的C1至C6的羥烷基，R3為直鏈或支鏈的C1-C5的亞烷基，并且n為1-4的整數；所述負極活性物質包括石墨烯類粉體材料。2.根據權利要求1所述的石墨烯基鈉離子電池，其特征在于，所述非水系溶劑為二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚以及和四乙二醇二甲醚中的至少一種一種或幾種的混合。3.根據權利要求1所述的石墨烯基鈉離子電池，其特征在于，所述電解液還包括添加劑，所述添加劑與所述非水系溶劑的質量比值為(0.1-20)：100。4.根據權利要求3所述的石墨烯基鈉離子電池，其特征在于，所述添加劑為亞硫酸乙烯酯(ES)、亞硫酸丙烯酯(PS)、碳酸亞乙烯酯(VC)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的至少一種。5.根據權利要求1所述的石墨烯基鈉離子電池，其特征在于，所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊全紅，張俊，呂偉，張思偉，鄭德群，游從輝，康飛宇，
申請(專利權)人：清華大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：廣東,44