[发明专利]一种钠离子电池负极材料和负极的制备方法及钠离子电池

说明书

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，特别涉及一种钠离子电池负极材料和负极的制备方法及钠离子电池。

背景技术

自上个世纪九十年代索尼公司将锂离子电池商业化以来，锂离子电池作为最合适的储能材料已经广泛应用于各种电子产品及军用通讯设备中，给人类便捷的生活立下了汗马功劳。高性能高容量的锂离子电池电极材料的研究已经成为电化学、物理学和材料科学等学科的研究热点和重点。随着对这些材料的深入研究及工艺的日趋成熟，锂离子电池的应用领域更为宽广，但是这些可喜的研究成果的背后带来了正负极材料消耗的严峻问题，比如锂盐（提供锂离子的反应前驱体）的日趋减少。为了使储能技术能够发挥最大的用处，非常有必要开发出不需要消耗太多不可再生能源的电池体系，研究者自然将目光转移到了和锂元素同一个主族、性能比较接近的钠元素，因为海水中的主要盐成分氯化钠可以源源不断地提供钠源。再者，钠离子的半电池电位比锂离子电池高出约0.3V，更加适合循环及倍率性能优越但分解电压低的液体电解液体系，具有更高的安全性。因此，钠离子电池的研究再次成为热点。

由于钠离子的半径比锂离子大，对能够自由嵌入与脱出的电极材料的要求更加苛刻，不能简单将正负极材料由锂离子换成钠离子。商业化的锂离子电池是使用碳作为负极材料，钠离子嵌入与脱出时容量却很低，Ge和Fouletier进行的钠离子嵌入结晶石墨的研究发现，钠离子可形成NaC₆₄的结构（锂离子电池中则形成LiC₆），容量仅有35mAh/g，钠离子不能像锂离子那样自由的嵌入和脱出碳材料的负极，而且还与碳形成更高价的钠碳化合物，所以，钠离子电池的负极研究曾陷入瓶颈，可以说负极材料的研究水平决定了钠离子电池的发展程度。

钠离子电池负极的研究受到了国内外的广泛关注，最近已有关于钠离子负极材料的专利报道。申请号为201210038789.0的中国发明专利公开了“一种钠离子电池负极材料”，该专利采用能够与钠形成合金的钠合金作为负极材料，合金材料的初始容量虽然高，但是随着循环的进行，合金体积膨胀带来了循环稳定性锐减，比如，Sn/乙炔黑复合材料与钠形成合金后，循环到20周时，脱钠容量已经由第二周的440mAh/g降到了221mAh/g，容量衰减率达到50%。专利号为ZL01822503.9的中国发明专利公开了“锂过渡金属硫化物的合成方法”，该专利主要是制备如锂铁硫化物的锂过渡金属硫化物的方法，该方法在反应完成并冷却后，需大量使用有机液体来萃取回收产物，给环境带来很大危害，很有必要对合成硫化物的方法进行改进，而且该锂铁硫化物只是限制应用于锂离子电池中。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种充放电容量高、循环性能好的钠离子电池负极材料及负极的制备方法，并进而提供了一种充放电容量高、循环性能好的钠离子电池。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照化学式Na_xNbS₂，换算出所需Na₂S、单质铌和单质硫的质量，然后分别准确称取等于换算值的Na₂S、等于换算值的单质铌以及不低于换算值的单质硫，其中，0<x<1；

步骤2、将步骤1所得的各原料混合研磨0.5~3小时后施加1~5吨的压力干压成型，然后将成型的样品置于耐800℃以上高温的真空容器内；

步骤3、将装有样品的所述真空容器置于加热装置中用1 5~30小时的时间升高温度到680~720℃并在该温度下保温10~30小时，再用20~40小时的时间降温到240~320℃后迅速取出置于空气中淬火；

步骤4、将步骤3所得样品从真空容器内取出并研磨0.5~2小时后即得到钠离子电池负极材料；

其中，步骤1、步骤2和步骤4均在隔绝空气和水分的环境中进行。优选的，步骤1在手套箱中进行；步骤2则是先在手套箱中进行混合研磨和干压成型，然后在手套箱中将成型的样品装入烘干的只有一个开口的石英管，封闭石英管的另一端开口（开口处连接一阀门，关闭所述阀门），将石英管移出手套箱并接入抽真空的装置中（通过所述阀门与抽真空装置相连接，抽真空时开启阀门），当真空度达到0.01~0.07Torr时，使用乙炔和氧气的混合火焰将石英管的开口熔合从而封闭所述石英管的内部空间，此时，石英管即构成所述的耐800℃以上高温的真空容器；步骤4同样在手套箱中进行，将石英管敲碎，即可取出样品。