[发明专利]全固态钠离子电芯结构、制备方法及电池

说明书

本发明公开了一种全固态钠离子电池电芯结构、电芯制备方法及电池，涉及储能材料技术领域。所述电芯结构包括依次叠层设置的负极层、固态电解质层及正极层；所述负极层包括无机多孔材料及所述无机多孔材料上吸附的熔融金属钠。本发明提供的全固态钠离子电芯结构设计，所设计的全固态钠离子电池界面阻抗低，界面稳定。可通过掺杂碳适配不同的正极材料，可更换固态电解质，整体结构组装方法保持相同。

技术领域

本发明涉及储能材料技术领域，具体涉及一种全固态钠离子电芯结构、制备方法及电池。

背景技术

储能技术成为新能源开发利用的关键技术，目前基于液态电解质的锂离子电池虽然已经较为成熟且得到了广泛应用，但同时也存在漏液、高温易燃等潜在安全隐患，匮乏的锂资源和高昂成本无法满足日益庞大的市场需求。

全固态电池作为一种新兴二次储能系统，可以解决液态电池液态电解质泄露，挥发，爆炸等造成的安全性问题。随着我国可移动储能设备的发展及其产业化，提高全固态电池安全性，低成本组装尤为重要。

钠与锂位于同主族，物理化学性质相似。由于其在地壳中储量丰富，是锂资源的400倍以上，地域分布广，加上其价格优势，解决了未来锂资源短缺、电池产品生产成本高昂的问题，成为新一代大规模储能系统的研究热点。

针对未来水下设备的应用，目前现有能源技术离电池自承压、低质量密度的需求存在较大差距，采用液态锂电池内部易发生漏液、短路。因此，减小自身质量，发展高能量密度，能实现自承压，安全可靠的动力电池为水下设备续航成为未来发展方向。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，本发明提供了全固态钠离子电芯结构、电芯制备方法及电池，本发明提供的全固态钠离子电芯结构可满足水下设备用动力电池承压，在保证了较高能量密度同时，具有高安全性的显著优点。本发明中提出了一种电芯一体化烧结成型组装工艺，改善了电极与固态电解质间的界面性能，该组装方法成本低，易于组装，适合大规模生产。

本发明第一个目的是提供一种全固态钠离子电池电芯结构，包括依次叠层设置的负极层、固态电解质层及正极层；所述负极层包括无机多孔材料及所述无机多孔材料上吸附的熔融金属钠。

优选的，所述固态电解质层材质为β-Al₂O₃固态电解质；

所述正极层材质为钠超离子导体结构化合物或碳包覆的钠超离子导体结构化合物，所述钠超离子导体结构化合物中掺杂有氟和/或氧原子。

更优选的，所述钠超离子导体结构化合物的化学式为Na_xM₂O_y(PO₄)₃F_3-y，其中M为V，Ti，Zr或Mn；x取值为1～4，y取值为0～3。

更优选的，所述无机多孔材料为金属铜与还原氧化石墨烯复合泡沫；

所述金属铜与还原氧化石墨烯复合泡沫是按照以下步骤制得：

将氧化铜与氧化石墨烯泡沫混合均匀后，压制成膜。然后将其置于还原性气氛中在300～800℃烧结0.5～10h，所述氧化铜与氧化石墨烯泡沫复合物在还原性气氛烧结过程中会还原为金属铜与还原氧化石墨烯复合泡沫集流体材料，即得所述的金属铜与还原氧化石墨烯复合泡沫；其中，所述氧化铜泡沫的质量含量比例为20～80％；膜厚为20～100μm。

更优选的，所述负极层是按照以下步骤制备：将金属铜与还原氧化石墨烯复合泡沫置于熔融金属钠中进行吸附，吸附时间为1-60min至饱和状态，吸附结束后，再将金属铜与还原氧化石墨烯复合泡沫浸泡于70-100℃的聚氧化乙烯熔液中，充分浸渍后取出自然冷却，获得金属铜与还原氧化石墨烯形成的复合泡沫吸附金属钠和聚氧化乙烯的负极层。

更优选的，所述负极层的孔隙率为10～90％。