[发明专利]水体系钠离子电池及其制造和应用

说明书

技术领域

本公开涉及水体系钠离子电池的组装与应用，尤其是Na_0.44MnO₂-NaTi₂(PO₄)₃水体系钠离子电池，具体地涉及用固相反应合成正极材料和溶胶-凝胶法制备负极材料，进而分别以二者为正极材料活性和负极材料为活性物质乙酸钠水溶液为电解液组装全电池在化学储能方面的应用。

背景技术

由于电网对储能技术的需求，不同的储能体系被用来作为储能设备进行研究。而水体系钠离子电池由于具有原料来源丰富、环境友好、安全性高与价格便宜等因素是该领域的非常具有应用前景的候选者而吸引了人们的广泛关注。

传统的钠离子电池为有机电解液体系，而该体系由于使用有机电解液导致其安全性问题突出。人们开始探求水相钠离子电池体系在电站储能方面的应用。Whitacre(文献1，J.Whitacre，A.Tevar and S.Sharma，Electrochemistry Communications，2010，12，463-466)等人报道了孔道结构的Na₄Mn₉O₁₈材料能够在0.5V的电压宽度范围内可逆的脱嵌钠离子，并提供45mAh/g的容量。该材料具有优异的循环稳定性能，是钠离子电池正极材料的非常优秀的选择。人们广泛关注的负极材料是钠快离子导体结构的NaTi₂(PO₄)₃。该化合物的三维孔道结构能够可逆的脱嵌两个钠离子并表现出133mAh/g的较高容量。但是，由于NaTi₂(PO₄)₃的低导电性，其倍率性能很差，循环稳定性也受到影响。而我们最近的工作(文献2，X.Li，X.Zhu，J.Liang，Z.Hou，Y.Wang，N.Lin，Y.Zhu and Y.Qian，Journal of The Electrochemical Society，2014，161，A1181-A1187)表明在包覆了高导电率的石墨烯材料之后，NaTi₂(PO₄)₃的倍率性能与循环稳定性得到很大提高。在20C的高倍率下循环2000次之后，仍然可以保持初始容量的75％。

发明内容

在本公开的一些实施方案中，提供一种水体系钠离子电池，所述电池包含：

Na_xMnO₂固体粉末作为正极活性物质；

碳包覆的NaTi₂(PO₄)₃材料作为负极活性物质；和

乙酸钠水溶液作为电解液；

其中x＝0.3至1，优选0.44至1，再优选0.44至0.95，最优选0.44。

在本公开的一些实施方案中，提供一种制造水体系钠离子电池的方法，所述方法包括：

a)将碳酸钠和碳酸锰在800℃至950℃，优选800℃至900℃，再优选850℃至900℃，最优选900℃加热，制造固体粉末作为正极活性物质；

b)以碳酸钠、磷酸二氢铵、二氧化钛、水和乙二醇为原料，通过溶胶-凝胶法得到前驱物，之后退火，制备负极活性物质；和

c)使用a)中制得的正极活性物质和b)中制得的负极活性物质，加入乙酸钠水溶液作为电解液，制造水体系钠离子电池。

在本公开的一些实施方案中，所述碳酸锰、碳酸钠投料摩尔比例为∶碳酸钠∶碳酸锰＝0.22至0.44∶1，优选0.22至0.25，再优选0.22至0.242，最优选0.242。

在本公开的一些实施方案中，b)中的加热的升温速率为1℃/min至10℃/min，优选5℃/min至10℃/min，再优选5℃/min至8℃/min，最优选5℃/min。

在本公开的一些实施方案中，b)中的恒温时间为5h至15h，优选5h至10h，再优选8h至10h，最优选10h。

在本公开的一些实施方案中，b)中的降温方式为自然冷却。

在本公开的一些实施方案中，b)中的加热在空气气氛中进行。

在本公开的一些实施方案中，所加入的碳酸钠∶二氧化钛∶磷酸二氢铵＝1∶3.5-5∶5-8，优选1∶4-5∶5-7至1∶4-4.5∶5-7，再优选1∶4-4.5∶5-6至1∶4-4.5∶5-6，最优选1∶4∶6。