[发明专利]一种碳纳米管缓冲层/钠复合负极及其制备方法与应用

说明书

本发明属于钠金属电池负极材料技术领域，具体为一种碳纳米管缓冲层/金属钠复合负极材料的制备方法，步骤包括：将碳纳米管缓冲层置于金属钠表面，滴加电解液，静置即可；所述电解液包括钠盐、有机溶剂。本发明制备工艺简单、方法高效，且能实现大电流、长循环的钠金属负极，在高能量密度电池领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于钠金属电池负极材料技术领域，具体为一种碳纳米管缓冲层/金属钠复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着电池技术的快速发展，锂电池现已主导便携式电子产品市场并逐步拓展至大规模储能领域。但是锂资源存量低、成本高，已经无法满足建立大规模、高能量密度储能系统的发展需求。而钠在地壳的储量丰富，成本低廉，并且钠电池具有与锂电池相似电化学特性，因此钠电池被认为有望取代锂电池成为新一代的电池。钠金属的理论比容量高达1166毫安时/克，可大幅提高电池的能量密度，满足电动汽车对电池的需求。但是金属钠十分活泼，会与电解液发生副反应，从而造成电解液不断消耗，电池容量降低。并且钠金属在充放电过程中由于不均匀的成核沉积，会导致钠枝晶的生长，严重时会刺穿隔膜，引发短路，甚至造成燃烧和爆炸等安全事故。因此，钠金属的实际应用仍未实现。

为了解决上述问题，目前已有一些研究报道。一方面通过改良电解质体系，如电解液的组分和浓度，在负极表面形成稳定的固体电解质界面。另一方面通过采用机械强度高的固态电解质或在金属钠负极表面修饰一层力学强度高、化学性能稳定的固体电解质界面，来抑制枝晶的生长。但是这些方法并未从根本上解决枝晶生长的问题，即钠在钠金属表面不均匀的成核和生长。近年来，有的文献通过设计基底骨架的结构，使得钠在其上均匀的成核沉积。现报道的制备钠/骨架复合负极的方法一般分为两种：第一种方法将金属钠熔融，然后吸附到基底骨架上；第二种方法采用电沉积的方法，使得钠嵌入到骨架内部。这两种方法需要在无水无氧的环境的进行，制备步骤繁琐。

发明内容

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，而不超出本发明的构思与保护范围。

本发明所要解决的技术问题是提供一种稳定的碳纳米管缓冲层/钠电极复合材料及其简便高效的制备方法和应用。

为了解决上述的技术问题，本发明的第一个方面提供了一种碳纳米管缓冲层/钠复合负极的制备方法，步骤包括：将碳纳米管缓冲层置于金属钠表面，滴加电解液，静置即可；所述电解液包括钠盐、有机溶剂。

作为一种优选的技术方案，本发明中所述电解液的钠盐浓度为0.5-1mol/L。

作为一种优选的技术方案，本发明中所述电解液的滴加量为1-10μl/cm²。

作为一种优选的技术方案，本发明中所述静置的时间为1-30分钟。

作为一种优选的技术方案，本发明中所述碳纳米管缓冲层通过悬浮催化化学气相沉积法制得。

作为一种优选的技术方案，本发明中所述碳纳米管缓冲层的制备方法，步骤至少包括：

(1)将二茂铁和噻吩作为复合催化剂，超声溶解于碳源溶液中；

(2)通过蠕动泵将碳源溶液注入到炉腔体中，腔体温度控制在1000-1500℃；

(3)同时，向炉子中通入还原气体和载气，还原气体的流量为1200-1800标况毫升/分钟，载气的流量为300-450标况毫升/分钟；

(4)碳源裂解为碳原子，沉积在催化剂表面，生长得到碳纳米管气凝胶；

(5)碳纳米管气凝胶随气流到达炉子底部，用金属丝将碳纳米管气凝胶从炉底部引出，经过水槽后得到碳纳米管薄膜，收集，即得。