[发明专利]基于碳纤维负极材料的钠基双离子电池的制备方法

说明书

钠离子电池作为当前锂离子电池的有力替代者，具有成本低，电化学性能稳定的优势。但是传统钠离子电池输出电压较低（<3.5 V vs Na/Na⁺），导致其功率密度和能量密度较低，极大限制了其大规模应用。钠基双离子电池由于其较宽的电压窗口、低成本、高安全性和高能量密度最近开始受到研究人员的关注。我们通过静电纺丝技术得到碳纤维材料，以这种碳纤维材料作为钠基双离子电池的负极材料，同时以球形石墨作为钠基双离子电池的正极材料，组装成钠基双离子电池。这种碳纤维//石墨双离子电池具有稳定的电化学性能，放电电压接近4 V，能量密度可以达到160 Wh kg^‑1。

技术领域

本发明涉及一种基于碳纤维负极材料的钠基双离子电池，属于双离子电池领域。

背景技术

钠离子电池作为当前锂离子电池的有力替代者，具有成本低，电化学性能稳定的优势。但是传统钠离子电池输出电压较低（<3.5 V vs Na/Na⁺），导致其功率密度和能量密度较低，极大限制了其大规模应用。最近，钠基双离子电池由于其较宽的电压窗口、低成本、高安全性和高能量密度开始受到研究人员的关注。钠基双离子电池一般采用钠离子电池电解液，通常采用石墨作为正极材料。由于石墨具有典型的层状结构，当电压高于4 V时，电解液中的PF₆^-能够在石墨层间实现可逆脱嵌，因此，石墨被认为是一种稳定的双离子电池正极材料。另一方面，当石墨作为钠离子电池负极材料时，无法实现Na⁺的有效脱嵌。因此，一般石墨材料无法作为钠离子电池和钠基双离子电池的负极材料，寻找合适的双离子电池负极材料从而构建高能量密度和高循环寿命的钠基双离子电池具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于以碳纤维为钠基双离子电池负极材料，以球形石墨为钠基双离子电池正极材料。

碳纤维材料的制备：量取 N, N-二甲基甲酰胺于容器中，加入聚苯胺，搅拌至透明且粘稠后置于注射器中，将注射器针头与铝箔距离为15～20 cm进行静电纺丝，纺丝完成后干燥，在空气中退火2-3 h，接下来将再在氮气中退火0.5-1h，得到碳纤维材料；

钠基双离子电池的组装：以碳纤维材料作为双离子电池的负极材料，以球形石墨为正极材料，以NaPF₆为电解液溶质，EC、DMC、EMC为溶剂，以玻璃纤维膜组装形成碳纤维负极材料的钠基双离子电池。

步骤（1）中聚苯胺为高聚物，N, N-二甲基甲酰胺为溶剂，质量体积比为10%～15%(g mL^-1)。

所述的纺丝参数：正压：15~16 kV，接收距离为16~17 cm，推注速度为0.25~0.3 mmmin^-1。

所述的注射器的内径为0.33 mm，正电压为20 kV，负电压为-1.5 kV，溶液流速为10～20 µL min^-1。

碳纤维材料的制备步骤中，先在空气中以升温速度为2~3^oC min^-1升至220~250^oC，退火2~3 h，接下来将样品在氮气中以升温速度为2~3^oC min^-1升至700~800 ^oC退火0.5~1h，即可得到碳纤维材料。

所述的负极材料为将碳纤维粉末与聚偏氟乙烯粘结剂以质量比为9:1-2均匀混合，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂均匀涂覆在Cu箔上，制备得到厚度为0.1~0.3 mm的碳纤维负极。

所述的正极材料是将球形石墨与乙炔黑以及PVDF（聚偏氟乙烯）粘结剂分

别按照质量比为8:1:1均匀混合，以NMP（N-甲基吡咯烷酮）为溶剂均匀涂覆在Al箔上，制备得到厚度为0.1~0.3 mm石墨正极。