用于鈉硫電池的陰極導電過渡層及包含其的鈉硫電池制造技術

本發明專利技術涉及用于鈉硫電池的陰極導電過渡層及包含其的鈉硫電池，提供了一種用于鈉硫電池的陰極導電過渡層，所述鈉硫電池包括陽極、固體電解質、陰極、以及陰極導電網絡，其中，所述陰極導電過渡層包括：多孔復合介質，所述多孔復合介質沿所述固體電解質表面設置，以在所述固體電解質表面實現所述陰極導電網絡與所述固體電解質的良好接觸；以及活性流體分布層，所述活性流體分布層設置在所述固體電解質與所述陰極之間，用以實現離子和電子的有效傳輸。還提供了一種包括上述陰極導電過渡層的鈉硫電池。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于能源材料領域，涉及鈉硫電池，更具體地說，涉及一種用于鈉硫電池的陰極導電過渡層，以及包含該陰極導電過渡層的鈉硫電池。
技術介紹
上個世紀七十年代以來，鈉硫電池作為一種重要的儲能電池，以其能量密度大，循環效率高，成本低廉，無污染等優點引起了人們的廣泛關注。目前，只有日本、美國和中國 等少數國家在研究鈉硫電池，并且只有日本將鈉硫電池產業化，而我國尚在努力之中。鈉硫電池最終實用化所面臨的關鍵問題是進一步降低電池內阻和提高電池的安全性。對于鈉硫電池的硫陰極，由于單質硫是電子的絕緣體，硫陰極一般使用碳氈或石墨氈作為電極導電網絡以降低電池內阻，同時為了使充放電過程中硫能迅速從beta-氧化鋁固體電解質表面遷移，beta-氧化鋁與導電網絡之間必須有良好的接觸，以便電子的傳導和電化學反應的有效進行。研究發現，在beta-氧化鋁表面包覆一層與電極導電網絡有良好相容性的多孔導電膜可以加快充放電過程中固體電解質附近電化學反應中的物質遷移(參見美國專利3811493和3980496)。一些導電材料已經被研究用于修飾beta-氧化鋁表面，例如表面部分氧化的多孔金屬(參見美國專利4084042)。但是這些材料存在著與導電網絡(一般為碳氈或石墨氈)相容性差，導電性不好，對硫熔體的耐腐性差等問題。因此，探索一種在beta-氧化鋁表面直接制備結合良好的多孔穩定且與導電網絡相容性好的導電過渡層且高效低成本的方法成為改善鈉硫電池的性能和安全性的一個重要方面。因此，本領域迫切需要開發出一種直接與beta-氧化鋁等固體電解質結合良好，用于鈉硫電池陰極的導電過渡層，以實現beta-氧化鋁等固體電解質與導電網絡之間的良好接觸，并對陰極硫熔體有好的抗腐蝕性，在不增加電池內阻的前提下改善鈉硫電池的陰極性能和安全性。
技術實現思路
本專利技術提供了一種新穎的用于鈉硫電池的陰極導電過渡層及包含其的鈉硫電池，從而解決了現有技術中存在的問題。一方面，本專利技術提供了一種用于鈉硫電池的陰極導電過渡層，所述鈉硫電池包括陽極、固體電解質、陰極、以及陰極導電網絡，其中，所述陰極導電過渡層包括多孔復合介質，所述多孔復合介質沿所述固體電解質表面設置，以在所述固體電解質表面實現所述陰極導電網絡與所述固體電解質的良好接觸；以及活性流體分布層，所述活性流體分布層設置在所述固體電解質與所述陰極之間，用以實現離子和電子的有效傳輸。在一個優選的實施方式中，所述固體電解質與所述多孔復合介質直接接觸，以防止所述陰極導電過渡層與固體電解質脫離。在另一個優選的實施方式中，所述多孔復合介質在所述固體電解質與所述陰極導電網絡之間形成陰極導電過渡層。在另一個優選的實施方式中，所述多孔復合介質的平均孔尺寸大于活性流體的分子尺寸。在另一個優選的實施方式中，所述固體電解質選自鈉離子導體陶瓷和鈉離子導體玻璃。在另一個優選的實施方式中，所述固體電解質為beta-Al203或Na5GdSi4012。 在另一個優選的實施方式中，所述多孔復合介質由在所述固體電解質表面上流延的、涂覆的或噴涂的材料形成。在另一個優選的實施方式中，所述多孔復合介質由碳材料和金屬材料構成。在另一個優選的實施方式中，所述碳材料選自石墨、碳黑、活性炭、碳纖維、石墨烯、碳納米管等；所述金屬材料選自鐵、鈷、鎳、鉻、錳、鎢等，以及它們的合金和混合物。另一方面，本專利技術提供了一種鈉硫電池，它包括上述陰極導電過渡層。附圖說明圖I是本申請實施例I中多孔鎳碳復合介質包覆后的beta-氧化鋁表面的截面掃描電子顯微鏡照片。圖2是通過四探針法測試本申請實施例I中多孔鎳碳復合介質的面電阻(或方塊電阻)時的測試曲線，分別對應1、2探針和3、4探針之間的伏安曲線。圖3是本申請實施例I和實施例2中多孔鎳碳復合介質經過熔融硫腐蝕8小時后的表面掃描電鏡照片。具體實施例方式本專利技術的專利技術人在經過了廣泛而深入的研究之后發現，在鈉硫電池中，在beta-氧化鋁等固體電解質表面直接結合良好的陰極導電過渡層，該陰極導電過渡層包含多孔復合介質和活性流體分布層，可以實現beta-氧化鋁等固體電解質與導電網絡之間的良好接觸，并對陰極硫熔體有好的抗腐蝕性，在不增加電池內阻的前提下改善鈉硫電池的陰極性能和安全性。基于上述發現，本專利技術得以完成。在本專利技術的第一方面，提供了一種用于鈉硫電池的陰極導電過渡層，所述鈉硫電池包括陽極、beta-氧化鋁等固體電解質、陰極、以及陰極導電網絡，其中，所述陰極導電過渡層包括多孔復合介質，所述多孔復合介質沿beta-氧化鋁等固體電解質表面設置，以在所述固體電解質表面實現所述陰極導電網絡與beta-氧化鋁等固體電解質的良好接觸；以及活性流體分布層，所述活性流體分布層設置在所述固體電解質與所述陰極之間，用以實現離子和電子的有效傳輸。在本專利技術中，所述多孔復合介質設置在所述鈉硫電池的陰極與陰極導電網絡之間；所述多孔復合介質可以直接在鈉硫電池的固體電解質上合成，其厚度和孔隙分布均勻，與所述固體電解質有良好的結合力；所述多孔復合介質具有良好的導電性，對陰極硫熔體有好的抗腐蝕性，可實現所述固體電解質與所述陰極導電網絡之間的良好接觸，用于改善鈉硫電池陰極的性能和安全性。在本專利技術中，所述beta-氧化鋁等固體電解質與所述多孔復合介質直接接觸以防止所述陰極導電過渡層與固體電解質脫離。在本專利技術中，所述多孔復合介質在所述beta-氧化鋁等固體電解質與所述陰極導電網絡之間形成陰極導電過渡層。在本專利技術中，所述多孔復合介質的平均孔尺寸大于所述活性流體的分子尺寸。在本專利技術中，所述多孔復合介質被設置在所述固體電解質的表面區域中，在所述表面區域中實現活性流體的均勻分布。在本專利技術中，所述多孔復合介質將所述活性流 體與所述固體電解質表面良好接觸，由此提高電子和離子遷移速率。在本專利技術中，所述固體電解質具有電子絕緣性和鈉離子傳導性，選自鈉離子導體陶瓷和鈉離子導體玻璃，如beta-Al203和Na5GdSi4O120在本專利技術中，所述多孔復合介質由碳和金屬的復合材料組成；其中所述碳材料選自石墨、碳黑、活性炭、碳纖維、石墨烯、碳納米管等，所述金屬材料選自鐵、鈷、鎳、鉻、錳、鎢等金屬以及它們的合金和混合物。在本專利技術中，所述多孔復合介質由在所述固體電解質表面上流延的、涂覆的或噴涂的材料形成。在本專利技術中，通過在所述多孔復合介質中引入對所述活性流體惰性的碳材料，從而對所述活性流體有好的抗腐蝕性。在本專利技術中，通過在所述多孔復合介質引入與所述陰極導電網絡性質相似的碳材料，從而對所述陰極導電網絡有好的相容性。本專利技術的主要優點在于(I)直接包覆結合良好的多孔復合介質的實現，能有效避免修飾材料在鈉硫電池運行過程中可能發生的脫落而失效；(2)孔隙分布均勻的多孔復合介質能使各處的活性流體均勻分散在beta-氧化鋁等固體電解質表面，而不會阻塞離子和電子傳導通道；(3)多孔復合介質對電子有好的傳導性能，不會增加電池內阻；(4)與傳統的多孔金屬作為陰極導電過渡層相比，引入碳材料的多孔復合介質對導電網絡有更好的相容性，對硫和多硫化鈉有更好的抗腐蝕性能；(5)處理方法簡單易行，成本低。實施例下面結合具體的實施例進一步闡述本專利技術。但是，應該明白，這些實施例僅用于說明本專利技術而不構成對本專利技術范圍的限制。下列實施例中未注明具體條件的試驗方法，通本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：溫兆銀，胡英瑛，吳相偉，曹佳弟，吳梅芬，張敬超，
申請(專利權)人：中國科學院上海硅酸鹽研究所，
類型：發明
國別省市：