[发明专利]一种钠离子电池用复合钠负极的制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种钠离子电池用复合钠负极的制备方法，主要通过热灌输熔融法或者电沉积法将钠金属沉积在三维碳材料或者泡沫多孔材料孔隙中从而制备得到复合钠负极，属于新能源材料领域，特别涉及到钠离子电池用复合钠负极材料的制备。

背景技术

在当今世界的信息时代，随着电子、信息和新能源汽车等产业的迅猛发展，新能源储存装置已成为科学和技术发展的焦点，而高性能、高比容量钠离子电池的研究和开发成为当前新能源和材料领域的研究热点。由于拥有能量密度大、工作电压高、使用寿命长、环境友好、原料便宜等诸多优点，钠离子电池已经在众多领域中发挥着极其关键的作用。负极材料是决定钠离子电池性能的重要因素之一，其中钠金属负极因为具有超高能量密度(1165mAh g^–1)以及最负的还原电位(–2.714V，相对于氢标准电位)而成为钠离子电池主要的负极材料之一。钠负极较高的比容量和最负的还原电位特性极大地提升了钠离子电池的能量密度和比功率，同时钠金属还可作为钠硫电池、钠空电池和钠离子电池等钠金属电池的负极，因此，开展钠负极的研究对于钠金属电池的应用具有较高的实际应用价值。

然而，钠金属电池充放电过程中极易形成钠金属枝晶以及引起钠电极体积变化。加拿大孙学良等人研究发现，将钠金属箔片作为钠电池负极，随着循环次数的增加，其表面渐渐形成钠枝晶，枝晶较大的比表面消耗了部分钠和电解液，枝晶继续生长形成死钠，枝晶和死钠的堆积导致了电极的体积变化，造成电极循环的库仑效率下降，甚至出现内部短路、电池热失效或发生爆炸，引起使用钠金属的安全问题(Adv.Mater.,2017,29,1606663)。同时解决这两个问题较为有效的方式是将钠金属沉积在载体形成钠金属电极，其中载体在钠金属循环中起到两方面作用：一是为钠金属在循环的过程中提供一个宿主结构而达到缓解其体积变化的效果；二是改善钠金属循环过程中的沉积与剥离行为而起到抑制钠枝晶的作用。

近期，美国马里兰大学胡良兵课题组报道了一种利用热熔融金属钠灌输进入载体空隙的方法制备钠金属负极，这种方法具有简单高效和可控制备的特点，已报道的载体主要为具有多孔通道的碳化木材料(Nano Letter,2017,DOI:10.1021/acs.nanolett.7b01138)，而以三维碳材料或者泡沫多孔材料作为载体应用在热熔融灌输法中制备钠金属电极尚未有人报道。此外，利用电沉积法钠金属沉积进入三维碳材料(碳毡、碳纸、碳布)或者泡沫多孔材料(泡沫铜和泡沫碳)载体空隙中尚未有人报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以三维碳材料或者泡沫多孔材料为载体利用电沉积或者热熔融灌输制备钠离子电池用复合钠负极的方法。

一种钠离子电池用复合钠负极的制备方法，其特征在于：方法分为两种:

(1)以三维碳材料或者泡沫多孔材料为载体通过热熔融灌输法制备复合钠负极，其过程就是先熔融钠金属，然后将载体材料与熔融的液态钠金属接触，高温熔融的钠金属灌输进入载体材料空隙，待其冷却到室温即形成复合钠负极；

(2)以三维碳材料或者泡沫多孔材料为载体通过电沉积法制备复合钠负极，其过程就是将载体材料与钠片组装成电池，在一定的电流密度下将钠片上一定面积容量的钠金属沉积进入载体材料的空隙中，拆卸电池取出沉积有钠金属的载体即制备得到复合钠负极。

进一步的，方法(1)和(2)所述的三维碳材料载体是：碳毡、碳纸或碳布或者表面官能团修饰的碳毡、碳纸或碳布；所述的泡沫多孔材料载体是：泡沫铜或泡沫碳。

进一步的，方法(1)所述的熔融钠金属的温度范围为：100-900℃。

进一步的，方法(2)所述的电流密度的范围为：0.1-5mAcm^–2；所述的面积容量的范围为：0.1-100mAh cm^–2。

进一步的，所述的表面官能团修饰的碳毡、碳纸或碳布制备过程为：首先将碳毡、碳纸或碳布用乙醇和去离子水分别超声清洗10min；然后称取碳毡或碳纸或碳布载体材料和氢氧化钾质量比为1：2-9的物质放入烧杯中，加入适量的去离子水浸泡8小时；最后放入烘箱80℃下烘干，取出放入管式炉中800℃保温1小时，升温速率为5℃/min，氮气保护气氛。

进一步的，所述的表面官能团的包括：C＝C、C＝N、C＝O、C–O、N＝N。