[发明专利]钠离子电池硅负极材料

说明书

钠离子电池硅负极材料，其改性方法包括：用晶态纳米硅形成浆料；将上述浆料涂覆在金属基片上，烘干后裁制形成硅涂覆电极片；在惰性气氛下，金属钠作为电池负极且上述硅涂覆电极片作为正极，从而装配成钠离子电池；利用上述电池对硅涂覆电极片进行恒电流电化学活化处理，从而使硅涂覆电极片上的晶体硅材料经活化后发生部分非晶化转变。本发明提供的使晶体硅部分非晶化的电化学处理方法，工艺简单且成本低廉，避免了常用于制备非晶硅的气相沉积法的严苛制备条件及产生的高额成本。采用此方法制备的部分非晶硅负极材料应用于钠离子电池中已展现出高容量且循环性能好。

技术领域

本发明涉及钠离子电池，具体涉及用于钠离子电池的改性硅负极材料。

背景技术

当前人类面临化石能源枯竭与环境污染的双重困境，因此必须开发清洁可再生能源以减少对化石能源的依赖。二次电池储能能量密度高，转化效率高且灵活性高，是当前研究热点之一。目前最有发展前景的二次电池主要是锂离子电池和钠离子电池。硅，作为具有最高理论储锂容量的材料，目前已成功应用在了商品化锂离子电池中。钠具有地壳分布广泛且成本低廉的特点，钠离子电池作为大规模储能技术领域的有力候选者也是当前的研究热点之一。然而硅一直被认为无储钠活性。相关理论计算表明钠离子嵌入晶体硅材料中需要消耗大量能量而很难发生，而嵌入非晶硅中消耗的能量远远小于晶体硅，因此非晶硅储钠是有希望的。经计算，单个非晶Si能储存0.76个Na，对应于725mAh/g的理论容量。

近年来，已有关于硅材料储钠实验研究，其中作为活性物质的硅基本为部分非晶或全部非晶，证实了非晶硅的储钠活性。文献报道的已有制备非晶硅材料用以储钠的方法包括热等离子体化学气相沉积法制备部分非晶纳米颗粒、电子束蒸发法制备非晶硅薄膜、模板法制备晶体硅核/非晶硅壳结构纳米线及气相沉积法结合应变释放卷绕技术制备卷状非晶薄膜等，此类方法大都工艺复杂且条件苛刻。因此，寻找一种工艺简单易操作且成本低廉的制备部分非晶硅负极材料并实现可逆储钠的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型电化学制备方法得到钠离子电池硅负极材料。

根据本发明的第一方面，提供了一种钠离子电池硅电极(负极)材料的活化处理或改性方法，其包括：

将晶态纳米硅与导电炭黑和聚偏氟乙烯混合形成浆料，其中硅、炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为(6～8)：(1～3)：1；

将上述浆料涂覆在金属基片上，烘干后裁制形成硅涂覆电极片；

在惰性气氛下，使用金属钠作为电池负极且上述硅涂覆电极片作为正极，装配成钠离子电池，其中电解液包含钠盐和有机溶剂，有机溶剂选自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和二乙二醇二甲醚(DEGDME)中的至少一种，钠盐选自六氟磷酸钠(NaPF₆)、高氯酸钠(NaClO₄)、NaTFSI、NaFSI和Na₂SO₃中的至少一种，钠盐浓度为0.1-2mol/L；

利用上述电池对硅涂覆电极片进行电化学活化处理，其中电化学活化处理的恒流充放电电流密度为1A/g-40A/g，活化循环周次为20-10000周，从而使硅涂覆电极片上的晶体硅材料经活化后发生部分非晶化转变。

根据本发明的各优选实施例：纳米硅的粒径可以为50-200nm；有机溶剂可以为二乙二醇二甲醚，钠盐可以为六氟磷酸钠；电化学活化处理的恒电流密度可以为6A/g-35A/g，更优选为25A/g-35A/g，活化循环周次为500-1000周，更优选为200-800周。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于钠离子电池的硅负极，采用根据上述方法所改性的硅涂覆电极片，其中硅的非晶程度为10％-80％。