CN108269990B - 一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池 - Google Patents

一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池。本发明提供了一种钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下制备步骤：A、将1,4‑双(对羧基苯基)‑1,3‑丁二烯与钠的碱性化合物的乙醇溶液混合，得到混合溶液；B、将石墨负载材料与所述混合溶液混合后冷冻干燥后得到钠离子电池负极材料。本发明提供了一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池，能有效解决具有电化学活性的有机化合物容易溶解在有机电解质溶液中，导致其循环性能差、倍率性能低以及容量低的技术缺陷。

Description

一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池
技术领域
本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池。
背景技术
当前，锂离子电池由于其比容量高、自放电小、功能密度高、循环性能好和性价比高而受到广泛青睐。但是锂资源存储量减少，分布不均匀等问题日益突出。
金属钠与金属锂是同一主族的金属，因此有着相似的物理性质和化学性质，且钠元素来源丰富，原料易得，分布广泛。金属钠是电化学可逆的材料，具有电极电势负(相对于锂电位为+0.3V)、能量密度高等特点，钠单质的理论比容量达1100mAh/g。相关研究表明，钠离子电池性能与锂离子电池性能相当接近，极有可能替代锂离子电池。因此，开展对钠离子电池材料的研究意义重大。已经报道的4,4-联苯二羧酸钠(Na2C14H8O4)、对苯二甲酸钠(Na2C8H4O4)的放电比容量分别是200mAh/g、288mAh/g。由于钠离子半径比锂离子大得多(r(Na+)＝0.102nm.vs.r(Li+)＝0.076nm)，钠离子很难在石墨层间自由地嵌入和脱出，故石墨不能用做钠离子电池负极材料。
有机共轭羰基化合物最典型的就是其共轭体系，这就在本质上决定了这类材料结构的多样性，电化学反应速率快。另外，有机共轭羰基化合物来源广泛，价格低廉，其电化学反应机制是多电子氧化还原反应的过程。从理论上来讲这些性质决定了这类材料循环性能和倍率性能都较好。因此，为了发展容量高、倍率性好、经济型的钠离子电池负极材料，有机羰基化合物是一个值得研究的方向。例如，CN10103794825A公开了一种高性能可充全对称有机钠离子电池及其制备方法。以金属盐和有机羧酸制备四钠盐，以该四钠盐为正负极片的活性物质并组装成钠离子电池，该方法制备的钠离子电池循环性能好，工作电压高。
综上所述，目前有机钠离子电池的问题是：1)大多数具有电化学活性的有机化合物容易溶解在有机电解质溶液中，导致循环性能差。2)有机化合物导电性差，导致倍率性能差。3)羰基活性位点利用率不高，导致容量低。因此，研发一种不容易溶解在电解液中的、倍率性能好和容量高的有机钠离子电池材料是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池，能有效解决具有电化学活性的有机化合物容易溶解在有机电解质溶液中，导致的循环性能差、倍率性能低以及容量低的技术缺陷。
本发明提供了一种钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下制备步骤：
A、将1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯与钠的碱性化合物的乙醇溶液混合，得到混合溶液；
B、将石墨负载材料与所述混合溶液混合后冷冻干燥后得到钠离子电池负极材料。
作为优选，所述石墨负载材料包括氧化石墨烯、还原石墨烯、氧化还原石墨烯、多壁碳纳米管和碳纳米管中的一种或多种。
作为优选，所述石墨负载材料占所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的质量的5％-50％。
作为优选，所述钠元素与1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的摩尔比为2:1。
其中，钠元素为钠的碱性化合物的乙醇溶液中的钠元素。
作为优选，所述碱性化合物为氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种。
作为优选，所述将石墨负载材料与所述混合溶液混合具体为：在超声条件下，将石墨负载材料与所述混合溶液混合6-12h。
作为优选，所述冷冻干燥的时间为12-24h。
本发明还公开了一种钠离子电池负极材料，包括上述钠离子电池负极材料的制备方法制备得到的钠离子电池负极材料。
本发明还公开了一种钠离子电池负极，包括负极材料、导电剂、粘结剂和集流体；
所述负极材料、所述导电剂和所述粘结剂的混合物附着在所述集流体上，经干燥、辊压和冲切制得钠离子电池负极。
本发明还提供了一种钠离子电池，包括正极、负极、电解液和隔膜，所述负极为所述的钠离子电池负极。
与现有技术相比，本发明的优点在于：利用1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯与钠的碱性化合物的乙醇溶液通过液相法生成的活性物质(钠盐)，这是采用双共轭π键，从而增加电子云密度的方法提高材料导电性，合成具有一定晶型的共轭羰基钠盐，以此来减小在有机电解液中的溶解度。利用了“极性反转”策略，使小极性的共轭羰基化合物转变成大极性并具有一定晶型的钠盐，延长共轭π键以提高导电性，再用石墨负载材料进行活化，负载加固活性物质，干燥后得到石墨类材料改性的有机负极材料。冷冻干燥处理能保持钠离子电池负极材料的物理性质和化学性质不被破坏，用石墨负载材料进行活化，负载加固活性物质，能够抑制钠盐溶解在电解液中，提高有机材料的机械性能、耐腐蚀性和导电性。本发明利用石墨负载材料活化有机电极，所选用的石墨负载材料能表现优异的电学、热学和力学性能，尤其是力学性能，石墨负载材料是一种由碳原子以SP2杂化轨道或者由碳原子以SP2和SP3轨道杂化组成的多孔结构，石墨负载材料用于负载加固活性物质，能够“锁住”活性物质以抑制活性物质溶解在电解液中，且石墨负载材料具有良好的力学性能，电化学性能和机械性能，能够提高负极材料的耐腐蚀性，机械性能，同时进一步提高负极材料的导电性，同时本制备方法简便，能耗低、成本低廉和绿色环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示本发明实施例1制备的钠离子电池负极材料组装的电池的首次充放电图；
图2示本发明实施例2制备的钠离子电池负极材料组装的电池在室温下和电流密度为0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C下的倍率性能曲线图；
图3示本发明实施例3制备的钠离子电池负极材料组装的电池在室温下和电流密度为0.1C(100mA/g)下的循环性能和库伦效率图。
具体实施方式
本发明提供了一种钠离子电池负极材料及其制备方法及电池，用于解决现有技术中的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种钠离子电池负极材料、负极极片和钠离子电池的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)将一定质量的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯与钠的碱性化合物的乙醇溶液混合，得到混合溶液；
(2)将石墨负载材料与所述混合溶液混合后冷冻干燥后得到钠离子电池负极材料；
(3)将钠离子电池负极材料、导电剂、粘结剂按一定质量百分比溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中调成浆料，涂覆在铜集流体上，80-120℃条件下真空干燥5-12h，辊压，冲切制得负极极片。
(4)以上述负极片、钠为对电极，多孔玻璃纤维为隔膜，电解液成分：(高氯酸钠(NaClO4)，EC与PC体积比为1:1)在充满Ar且水分含量低于1ppm的手套箱内，将材料组装成钠离子电池。
其中，钠的碱性化合物是氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠的一种或多种，其中钠元素与1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的摩尔比为2:1。
搅拌时间是6-12h。
石墨负载材料包括氧化石墨烯、还原石墨烯、氧化还原石墨烯、多壁碳纳米管和碳纳米管中的一种或多种。
石墨负载材料占1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的质量的5％-50％。
冷冻干燥时间为12-24h。
步骤(3)中导电剂为乙炔黑、Super P、导电石墨和碳纳米纤维中的一种或多种。
步骤(3)中粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。
步骤(3)中钠离子电池活性物质、粘结剂、导电剂质量百分比分别为60％-90％、5％-15％和5％-25％。
其中，以下实施例所用原料为市售或自制。
实施例1
本实施例提供了一个具体实施方式，钠离子电池负极材料及其电池的制备方法如下：
(1)将2.943g的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯加入到含8g氢氧化钠的乙醇溶液中，室温下搅拌12h得到混合溶液；
(2)往上述混合溶液中加入0.1472g氧化石墨烯，室温下超声搅拌12h后冷冻干燥12h，得到被氧化石墨烯改性的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的钠盐。
(3)以上述制备的被氧化石墨烯改性的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的钠盐为活性物质、乙炔黑(AB)为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，将活性物质和导电剂按比例称好研磨后加入到溶有PVDF(粘结剂)的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，其中活性物质、PVDF(粘结剂)和AB(导电剂)的质量百分比分别是60％、15％和25％。用涂敷机将浆料均匀涂在集电体铜箔上，置于80℃真空干燥箱中干燥12h。辊压，冲切制得负极极片后称重。
(4)以上述负极极片、钠为对电极，多孔玻璃纤维为隔膜，电解液为1mol/L高氯酸钠(NaClO4)的碳酸乙稀酯(EC)-碳酸二甲酯(DMC)(其中EC与DMC体积比为1:1)。在充满Ar气氛且水分含量低于1ppm的手套箱内，组装成电池。
(5)对该电池进行首次充放电性能测试，结果如图1所示。从图1可知，首次放电容量是384.5mAh/g，首次充电容量是273.5mAh/g，首效为71.13％。首次充电、放电平台分别是0.78V、0.38V。
氧化石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的蜂巢晶格的平面薄膜，其蜂巢晶格能负载加固活性物质，因此能抑制其溶解在电解液，从而提高其比容量、循环性能和库伦效率。
实施例2
本实施例提供了一个具体实施方式，钠离子电池负极材料及其电池的制备方法如下：
(1)将0.8829g的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯加入到含0.318g碳酸钠的乙醇溶液中，室温下搅拌6h得到混合溶液；
(2)往上述混合溶液中加入0.0883g的氧化还原石墨烯，室温下超声搅拌8h后冷冻干燥18h，得到被氧化还原石墨烯改性的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的钠盐。
(3)以上述制备的被氧化石墨烯改性的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的钠盐为活性物质、Super P为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，将活性物质和导电剂按比例称好研磨后加入到溶有PVDF(粘结剂)的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，其中活性物质、Super P(导电剂)和PVDF(粘结剂)的质量百分比分别是80％、10％和10％。用涂敷机将浆料均匀涂在集电体铜箔上，置于120℃真空干燥箱中干燥8h。辊压，冲切制得负极极片后称重。
(4)以上述负极极片、钠为对电极，多孔玻璃纤维为隔膜，电解液为为1mol/L高氯酸钠(NaClO4)的碳酸乙稀酯(EC)-碳酸二甲酯(DMC)(其中EC与DMC体积比为1:1)。在充满Ar气氛且水分含量低于1ppm的手套箱内，组装成电池。
(5)对步骤(4)的电池在室温下和电流密度为0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C下检测其倍率性能，结果如图2所示，从图2可知，本实施例制备得到的电池的倍率性能良好。
实施例3
本实施例提供了一个具体实施方式，钠离子电池负极材料及其电池的制备方法如下：
(1)将1.1772g 1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯加入到含0.672g碳酸氢钠的乙醇溶液中，室温下搅拌8h得到混合溶液；
(2)往上述混合溶液中加入0.5886g的多壁碳纳米管，室温下超声搅拌12h后冷冻干燥20h，得到被多壁碳纳米管改性的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的钠盐。
(3)以上述制备的改性后的1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的钠盐为活性物质、Super P为导电剂，聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，将活性物质和导电剂按比例称好研磨后加入到溶有PVDF(粘结剂)的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，其中活性材料、Super P(导电剂)和PVDF(粘结剂)的质量百分比分别是70％、20％、10％。用涂敷机将浆料均匀涂在集电体铜箔上，置于100℃真空干燥箱中干燥5h。辊压，冲切制得负极极片后称重。
(4)以上述负极片、钠为对电极，多孔玻璃纤维为隔膜，电解液为1mol/L高氯酸钠(NaClO4)的碳酸乙稀酯(EC)-碳酸二甲酯(DMC)(其中EC与DMC体积比为1:1)。在充满Ar且水分含量低于1ppm的手套箱内，组装成电池。
(5)室温下对该电池进行循环寿命测试，得到循环性能和库伦效率图，结果如图3所示，从图3可知，电流密度约为100mA/g，循环至100次后，容量保持初始容量的81％，约为170.3mAh/g。
多壁碳纳米管是由碳原子以SP2和SP3轨道杂化成，也可以说是由石墨烯片层卷曲而成，多壁碳纳米管内壁上布满小洞，因此用多壁碳纳米管负载加固活性物质，能够抑制其溶解在电解液中，提高耐腐蚀性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种钠离子电池负极材料，其特征在于，包括1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠负载在石墨负载材料上；
包括以下制备步骤：
A、将1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯与钠的碱性化合物溶液反应，得到1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠；所述钠的碱性化合物为氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种；
B、将石墨负载材料与所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠混合后，通过冷冻干燥得到所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠负载在所述石墨负载材料的钠离子电池负极材料；所述石墨负载材料包括氧化石墨烯、还原石墨烯、氧化还原石墨烯和碳纳米管中的一种或多种。
2.一种钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
A、将1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯与钠的碱性化合物溶液反应，得到1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠；所述钠的碱性化合物为氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的一种或多种；
B、将石墨负载材料与所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠混合后，通过冷冻干燥得到所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠负载在所述石墨负载材料的钠离子电池负极材料；所述石墨负载材料包括氧化石墨烯、还原石墨烯、氧化还原石墨烯和碳纳米管中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述钠的碱性化合物溶液的钠元素与1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的摩尔比为2:1。
4.根据权利要求2所述的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨负载材料占所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯的质量的5％-50％。
5.根据权利要求2所述的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述将石墨负载材料与所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠混合具体为：在超声条件下，将石墨负载材料与所述1,4-双(对羧基苯基)-1,3-丁二烯二钠混合6-12h。
6.根据权利要求2所述的钠离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的时间为12-24h。
7.一种钠离子电池负极，其特征在于，包括如权利要求1所述的钠离子电池负极材料或权利要求2至6任意一项所述的钠离子电池负极材料的制备方法制备得到的钠离子电池负极材料、导电剂、粘结剂和集流体；
所述钠离子电池负极材料、所述导电剂和所述粘结剂的混合物附着在所述集流体上，经干燥、辊压和冲切制得钠离子电池负极。
8.一种钠离子电池，其特征在于，包括正极、负极、电解液和隔膜，所述负极为如权利要求7所述的钠离子电池负极。
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