[发明专利]钠金属电池、电化学装置

说明书

本申请涉及钠金属电池、电化学装置，所述电池包括正极极片和负极极片，所述负极极片为负极集流体，所述电池在首次充放电后在所述负极集流体上原位沉积钠层的厚度≥30nm。本发明利用正极材料首次不可逆容量及电芯设计优化，在电芯首次充放电后，残留钠金属量足够多以能够在负极集流体表面均匀形成一层有一定厚度的钠沉积层，以此来避免随后充放电循环过程中钠沉积至集流体表面所需的更高的成核能，降低整体的沉积过电势，保证钠金属的沉积均匀性及充放电过程的可逆性。

技术领域

本发明涉及钠电池技术领域，尤其涉及钠金属电池、电化学装置。

背景技术

随着锂离子电池技术在消费电子、电动汽车、储能等市场的应用逐步扩大，锂资源不足问题也开始突显。钠基电池因地球具有足够高的钠元素丰度而逐步受到关注，并在储能等成本要求较高的应用领域具有重要的战略地位。受制于金属钠相对金属锂更高的还原电势、更大的相对分子质量，相似工作原理的钠离子电池的能量密度较锂离子电池下降显著；钠离子更大的离子半径也使得其在正负极材料中嵌入脱出时伴随更大的体积膨胀，造成电池的循环可逆性下降，这些都显著制约了钠离子电池的应用推广。随着电解质及其添加剂技术、表面修饰技术的发展进步，长期困扰学术界的金属表面不均匀沉积导致的钠枝晶生长问题得到显著改善，产品安全性能有望显著提升，使得高能量密度的钠金属负极重新进入人们的视野。为进一步获得更高的电芯能量密度，通过正极材料脱钠原位沉积至负极集流体的“无负极”钠金属电池也被研究出来。同时负极侧不用预先涂敷/沉积高活性的钠金属也大大提升了电芯的制造可行性及安全性。但无负极钠金属电池在负极集流体表面沉积需要更高的过电势，同样容易导致不均匀钠沉积，加剧与电解液的副反应，极大消耗活性钠，最终影响电芯的循环性能。

发明内容

鉴于此，本申请为了克服上述缺陷，提供钠金属电池、电化学装置，在充放电过程中，钠金属能够在负极集流体表面形成一层均匀的钠沉积层，保证充放电过程的可逆性。

第一方面，本申请实施例提供了一种钠金属电池，所述电池包括正极极片和负极极片，所述负极极片为负极集流体，所述电池在首次充放电后在所述负极集流体上原位沉积钠层的厚度≥30nm。

在上述技术方案中，本发明的钠金属电池，其负极活性材料通过正极脱钠沉积原位形成，电芯经首次充放电后，受正极活性材料首次脱出/嵌入钠的不完全可逆性，会存在部分钠金属残留在负极侧而不能返回至正极。受制于负极集流体表面的不均匀性及钠金属与电解液反应的高活性，当残留的金属钠总量较低时，其在集流体表面的分布呈现明显的不均匀性，有活性钠残留区域相对无钠残留区域由于具有更低的成核能(对应低的沉积过电势)更容易在随后的充电过程中沉积钠金属，会进一步加剧钠沉积的不均匀问题，最终导致高活性区域(尖端、枝晶区域)与电解液的副反应加剧，最终导致活性钠的消耗及电池性能的衰退。本发明利用正极材料首次不可逆容量及电芯设计优化，在电芯首次充放电后，残留钠金属量足够多以能够在集流体表面均匀形成一层有一定厚度的钠沉积层，以此来避免随后充放电循环过程中钠沉积至集流体表面所需的更高的成核能，降低整体的沉积过电势，保证钠金属的沉积均匀性及充放电过程的可逆性。具体地，要求电芯首次充放电后负极的钠沉积厚度≥30nm。

可选地，所述正极极片中正极活性物质的首次充电容量为Q_C mAh/g、首次放电容量Q_D mAh/g、正极活性物质涂敷质量C_W g/cm²及钠金属的理论体积克容量为X mAh/cm³满足以下公式：

可选地，所述负极集流体包括铝基集流体，所述铝基集流体包含如下技术特征中至少一种：

(1)所述铝基集流体包括铝箔、铝合金箔中的至少一种；

(2)所述铝基集流体为铝基复合集流体，所述铝基复合集流体包括高分子基膜及形成于所述高分子基膜的两侧的铝箔和/或铝合金箔；