[发明专利]一种钠硒电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于钠硒电池的技术领域，具体的涉及一种钠硒电池正极材料及其制备方法。该正极材料为硒‑碳包覆四氧化三铁‑石墨烯复合材料。该正极材料用于钠硒电池具有优异的电化学稳定性和理想的放电比容量。

技术领域

本发明属于钠硒电池的技术领域，具体的涉及一种钠硒电池正极材料及其制备方法。

背景技术

钠硒电池是指采用单质硒或含硒化合物为正极，金属钠为负极，通过硒与钠之间的双电子电化学反应实现化学能和电能间相互转换的一类新型金属钠二次电池。钠硒电池中，作为正极的硒和作为负极的钠均具有很高的理论容量，使得钠硒电池具有很高的理论能量密度，适应目前对体积限制严格的移动设备的发展趋势。

硒与硫为同一主族元素，因此钠硒电池与目前在智能电网和分布式电站中广泛使用的钠硫电池有很多相似性。尽管硒的理论容量低于硫，但其具有更高的电压和更大的密度，使得钠硒电池具有与钠硫电池相当的理论能量密度。传统钠硫电池中，由于硫在室温下与钠的电化学反应活性低下，并且在充放电过程中易形成一系列易溶于电解液的多硫化物，因而存在硫正极利用率低下、循环容量衰减快的问题(通常低于20圈)，严重影响室温下钠硫电池的性能发挥和实际应用。因此，传统钠硫电池的工作温度在300℃以上，使得钠硫电池在工作过程中需要附加供热设备来维持温度，大大增加其运行成本。

同时由于钠硫电池工作时钠和硫均处在液态，一旦陶瓷管发生破损即形成短路，此时，高温的液态钠和硫就会直接接触并发生剧烈的放热反应，严重影响钠硫电池运行的安全性。与硫相比，硒的电导率高出二十个数量级，使其在室温下与钠的电化学反应活性远高于硫，从而大幅提高了正极活性物质的利用率，并可适应大电流充放电的需要；此外硒在充放电过程中形成的多硒化物在电解液中的溶解度较小，使其比硫正极具有更高的循环稳定性。尽管硒的成本较高，但将硒与成本低廉的钠组装电池，可有效降低电池的制造成本。因此钠硒电池可以满足室温使用的需求，从而使其相比传统钠硫电池具有更好的安全性和能源经济性，可取代传统钠硫电池满足包括大型固定式能量存储和电动汽车在内的应用需求。

尽管这种新型的钠硒电池具有能量密度高、安全性高等众多优点，但目前对钠硒电池的研究非常罕见，对硒作为电极材料活性物质在充放电过程中的反应机理尚不明确。Amine等人(J.Am.Chem.Soc.2012,134,4505-4508)对硒正极在钠硒电池中的充放电反应机制开展了探索性的研究工作，其开发的钠硒电池采用金属钠为负极，硒与碳纳米管的混合物为正极。由于硒颗粒的尺寸较大并且未与导电基底进行有效复合，使硒的电化学活性得不到有效发挥，从而使得到的钠硒电池循环容量低下。同时由于导电基底对硒的分散和限制作用较弱，一部分硒在循环过程中会形成多硒化物溶于电解液中，造成钠硒电池的容量随循环进行发生不可逆衰减，从而影响了电池的使用寿命。

因此就目前而言，钠硒电池正极材料存在的主要问题包括大体积硒的利用率低和循环过程中聚硒化物的穿梭效应造成活性物质不可逆的衰减。目前解决以上问题的主要方法还是将硒与导电多孔碳材料进行复合，从而缓解硒利用率低的问题，同时碳材料由于其较高的比表面积还能够对聚硒化物有一定的吸附作用，从而缓解穿梭效应带来的容量损失。然而目前所应用的多孔碳材料仍无法有效地吸附聚硒化物，寻找具有高导电性、具备足够空间储存硒并且能够有效地吸附聚硒化物的材料成为钠硒电池的研究重点。

综上所述，选择具有合适多孔结构的导电基底，将硒与导电基底进行有效复合，同时将硒以分子的形式限制在基底的孔道内，从而制备具有高体积能量密度和循环稳定性的钠硒电池电极材料，开发具有高容量和稳定循环性能的钠硒电池，对于整个储能领域的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种钠硒电池正极材料及其制备方法，该正极材料用于钠硒电池具有优异的电化学稳定性和理想的放电比容量。

本发明的技术方案为：一种钠硒电池正极材料为硒-碳包覆四氧化三铁-石墨烯复合材料。