[发明专利]钠离子单电池或电池的化成方法

说明书

一种操作可再充电钠离子单电池的方法，其中该单电池包含作为无序碳的负极材料以及含镍钠氧化物正极材料，所述方法包括：在化成充电阶段，将单电池充电至钠从正极材料不可逆释放的第一电压；以及在后续的充电‑放电循环中，将单电池充电至低于第一电压的第二电压。在化成充电阶段单电池的充电电压可以选择成使得在化成充电阶段从正极材料不可逆释放的钠量基本上等于在化成充电阶段中在负极上的表面电解质层中沉积的钠量。

技术领域

本发明的领域涉及一种储能装置，并且更特别地涉及一种钠离子单电池(cell)或电池(battery)。此外，本发明涉及一种用于为了装置的长期循环而优化能量密度的装置的化成充电(formation charge)方法。

背景技术

锂离子单电池目前是一个庞大且不断增长的市场；它们作为用于便携式电子装置的电化学单电池非常受欢迎，并且锂离子电池正在越来越多地应用于较大规模的应用例如电动车辆和固定式储能。它们是一种可再充电的单电池类型，其中锂离子在放电期间从负极(anode)移动到正极(cathode)并且在充电时再次移回。在充电或放电期间，当锂离子移动通过单电池时，电荷平衡电流通过外部电路，从而提供电力。

然而，锂不是一种来源便宜的金属，并且对其未来的可获得性和成本有担心。钠离子电池在许多方面与锂离子电池相似，并且近年来对钠离子技术的研究兴趣已经增加。尽管钠离子比锂离子大且重，但适用相同的电池操作原理，并且钠的丰富性和全球可得性引起了未来钠离子技术将提供更便宜和更持久的储能方式的预测。这可能特别适用于大规模固定式能量应用。

正在开发用于钠离子技术的新型正极和负极材料。所述单电池的所述三个主要部件是正极、负极和电解质。通常，常规锂离子单电池的负极由碳制成。其通常是用于锂离子单电池的石墨；然而对于钠离子技术来说，较大的钠离子嵌入石墨是有问题的，这是由于这两种离子之间的尺寸差异造成的，Na⁺的95pm对比Li⁺的68pm。通常改为使用硬碳(硬碳也称为无定形碳或无序石墨碳，并且与其它碳的不同是不具有长程结构)，但是其它负极组成也在研究中。可能的正极材料有广泛的范围，并且现有技术中的几个例子描述了用于钠离子电池的新型层状氧化物正极材料的发明。例如，Komaba等，先进功能材料(Adv.Funct.Mater.)2011，21，3859；Kim，Kang等，先进能源材料(Adv.Energy Mater.)2011，1，33-336，US2007/0218361，US20150243983A1。

在可再充电的金属离子单电池的第一次循环期间，发生与后续循环相比不同的过程。在单电池的负极侧产生被称为固体电解质界面(SEI)的层。这种SEI在负极处形成，因为在充电期间，一些电解质组分在该电极的低电压下不稳定。该分解的产物在负极材料的表面上形成固体层。这种层的化学组成非常多样，且没有被彻底了解，并且取决于所使用的电解质以及负极的表面性质。然而，一旦形成了这种初始SEI层，它就是电解质分子不能穿透的并且电子绝缘的，并抑制SEI的进一步显著积聚。然而，锂离子仍然能穿过该层到达活性材料。在负极表面上形成这种SEI消耗了一些源自正极材料的锂。形成SEI层的锂不再可用于正极和负极之间的穿梭，因此与第一次循环相比，后续循环中单电池的容量降低。这被看作是第一次循环损失。单电池第一次循环建立优质SEI层的最佳程序取决于所用的具体负极、正极和电解质，因此对于不同的单电池而言是不同的。

US8980453提出在单电池化成充电期间进行过充电，但是规定所述单电池由负极进行容量限制。这节制了钠或锂的量，并有助于防止金属镀敷到负极表面上，而金属镀敷到负极表面上可促进枝晶生长并导致单电池短路。然而，要求电池由负极进行容量限制意味着US8980453的方法不能广泛应用，并且不能应用于许多标准格式的单电池，因为它们具有不由正极限制的单电池容量。

US8168330B2提出在单电池化成充电期间进行过充电，但是具体针对锂离子单电池。然而，锂离子单电池与本发明实施方式中的钠离子单电池有不同的考虑因素，因此对钠离子单电池的最佳程序预计将会不同。