[发明专利]钠离子电池阳极

说明书

本发明涉及用于钠离子电池的电极材料。特别地，本发明涉及适合用作钠离子电池的阳极的电极材料，其中所述电极材料包含钠钛酸盐。

随着近年来对全球变暖的关注日益增加，更多重点已被放在从基于化石燃料的能源收集工厂转向依赖于可再生能源如太阳能和风能的工厂。这些来源的间歇性导致不可避免地需要能量储存。在这个可再生能源的新时代，固定栅电池(stationary grid battery)形式的能量储存将与实际的太阳能/风电场一样重要，并且其作为集成系统的性能将决定其市场成功。对于后一点，这些栅电池的成本将是最关键的。锂离子电池(LIB)(其为目前的技术并且在性能方面远远超过其他传统电池技术)由于锂储量的可用性有限而不适合电网应用。此外，对锂的未来价格的担忧，特别是当在未来需求增加(由于诸如电动车辆的应用的LIB需求快速增加)时，将需要不依赖于锂但具有与LIB可比的性能的替代电池技术。

在这方面，室温钠离子电池(NIB)非常适合，因为其具有与LIB相同的工作原理，并且最近的报道表明，其在性能方面可以与LIB竞争或者甚至超过LIB。转换到NIB将是有意义的，因为钠是十分丰富的，并且依赖于钠的电池技术将比依赖于锂的电池技术便宜得多。

NIB(类似于LIB)需要能够在高电位下嵌入/脱嵌钠离子的阴极材料和能够在低电位下进行相同工作的阳极材料。显然地，阴极的工作电位(被称为“氧化还原电位”(还原/氧化))越高且阳极的氧化还原电位越低，全电池的工作电位将越高。全电池的能量密度(所储存的能量的量/重量，单位通常为Wh/Kg)等于工作电位(V)乘以其阴极或阳极的容量(所储存的电荷的量/电极材料的重量，mAh/g)。对于栅蓄电池，与电动车辆和消费电子产品所需的蓄电池不同，由于对这些电池的重量和尺寸没有限制，故能量密度不是最重要的性能因素。主要因素相反是低成本、超长循环寿命、优异的安全性和至少为80％的高往返能量效率(round-trip energy efficiency，RTEE)。RTEE是库仑效率(放电容量与充电容量之比)与电压效率(充电与放电循环之间的电压滞后)的乘积。考虑到这些点，全电池的能量密度可以容易地通过提高全电池的工作电位来提高，这意味着将高电位阴极与低电位阳极组合。此外，可以通过确保在全电池的充电与放电曲线之间存在可忽略的电压滞后(也称为“极化”)来提高RTEE。由于全电池的恒电流曲线只是从阴极的恒电流曲线中减去阳极的恒电流曲线，故这意味着阴极和阳极各自的恒电流曲线(通常以“半电池”方法相对于钠金属测量)应当表现出非常小的电压极化。

栅能量储存将成为迎接诸如太阳能和风能的可再生能源时代的重要组成部分，因为其解决了它们的最明显的缺点-它们的间歇性。因此，意在用于电网应用的廉价电池将使得来自这些工厂的电力成本对于消费者来说非常具有成本竞争力。由于成本是一个重要因素，故LIB将因锂资源不丰富而自动失去资格。依赖于在全球丰富和因此便宜的钠，NIB是最佳候选者。

虽然对于NIB已经展示了一些有前景的高电压阴极，但是还未证实非常低电压氧化还原电位和有吸引力的容量的阳极材料的合适组合。用于NIB的基于碳的阳极可具有高容量和非常低的氧化还原电位(相对Na/Na⁺<0.1V)，但是由于钠离子化(sodiated)材料在约100℃至150℃的低温下的热不稳定性，以及在阳极上钠镀(这可由于电压危险地接近0V而导致内部短路)的可能性，它们具有严重的安全问题。

因此，需要发现这样的电极材料：其能够在有吸引力的电压下以合适的容量储存钠，具有低合成成本，能够显示出超长循环寿命，具有高RTEE，并且在缺乏钠的相和富含钠的相中为热稳定的。

在本说明书中列出或讨论明显在先公开的文献不应当必然被认为是承认该文献是目前的技术的一部分或公知常识。

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