[发明专利]一种钠离子载体-碳复合粉体与自隔式电极及制备方法

说明书

本发明公开了一种钠离子载体‑碳复合粉体与自隔式电极及制备方法。该钠离子载体的化学成分为铝钛酸钠，是三钛酸钠的类质同象衍生物。铝钛酸钠适合用作二次钠电池的电极材料，其能量密度高于磷酸亚铁锂，安全性和性价比优于各类锂离子电极材料。采用原位复合技术，制备了铝钛酸钠‑碳的复合粉体，以及基于这种复合粉体的自隔式钠离子载体‑碳复合电极。自隔式电极的最大特点是自带离子隔膜。通过交联‑沉淀作用，在电极表面，包括内部微孔表面形成的微孔聚合物膜起到了离子隔膜的作用。使用自隔式电极组装电池时，阳极和阴极之间不再需要另外设置离子隔膜，简化了制造工艺，节省了综合成本，也缩减了电池的体积。

技术领域

本发明属于能源领域，具体涉及一种钠离子载体、钠离子载体-碳复合粉体、自隔式钠离子载体-碳复合电极、以及复合粉体和复合电极的制备方法。

背景技术

目前的锂离子电池存在资源短缺，原料价格上涨过快，以及存在自燃风险等缺陷，用钠离子电池替代锂离子电池是动力电池的发展趋势。

离子载体和离子隔膜是二次电池必不可少的组成部分，前者作为充放电活性物质，是电池能量的来源，也是二次钠离子电池的技术核心。离子隔膜是一种设置在阳极和阴极之间的离子半透膜，允许金属阳离子通过，但其它组分不能通过；离子隔膜是阳极和阴极之间的绝缘屏障，防止电池内部因短路出现自放电。不同类型的金属离子电池通常需要有不同的隔膜材料，为不同工况的电池开发不同类型的隔膜需要投入较多的人力物力，耗费时间成本。此外，制备或购买离子隔膜的成本约占电池总成本的13％至20％。将隔膜与电极材料融合的技术，将有助于减轻电池的体积和重量，进一步提高金属离子电池的能量密度和综合性能。此外，也有助于降低综合成本，提升产品的市场竞争力。

发明内容

本发明的目的是针对钠离子电池的核心技术提出一种解决方案，即一种钠离子载体-碳复合粉体与自隔式电极及制备方法。

为实现上述发明目的，本发明拟采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种钠离子载体，其特征在于它是一种铝钛酸钠，分子式为Na_2+xTi_3-xAl_xO₇，分子式中的x介于0.5至2之间。

第二方面，本发明提供了一种钠离子载体-碳复合粉体，其特征在于复合粉体的核心为碳微粒，而上述第一方面所述的钠离子载体包覆在碳微粒上，形成复合粉体。

第三方面，本发明提供了一种基于上述第二方面所述钠离子载体-碳复合粉体的自隔式钠离子载体-碳复合电极，其特征在于电极主体由微晶碳粘结的所述钠离子载体-碳复合粉体组成，电极主体的表面以及内部孔隙的表面均包覆有原位交联沉淀形成的微孔聚合物膜，电极内部植入碳纤维或金属丝作为连接外电路的导体。

作为上述第三方面的优选，所述的微孔聚合物膜是经由原位蒸发沉淀作用形成的高分子聚合物膜，包括但不限于聚丙烯腈膜、聚苯乙烯膜、聚氯乙烯膜，膜上均匀分布有纳米至亚微米级的微孔。

作为上述第三方面的优选，所述的金属丝是金属铜、金属镍、金属钴、或铁、钴、镍合金组成的金属丝。

第四方面，本发明提供了一种如上述第二方面所述的钠离子载体-碳复合粉体的制备方法，其特征在于它的步骤如下：

1)将3-x摩尔份的钛酸四丁酯和x摩尔份三氯化铝溶解在无水乙醇或甲醇中，得到总浓度为10％至20％的溶液，再加入相当于溶液重量0.1％至0.5％的表面活性剂，搅拌溶化后得到混合溶液；

2)在混合溶液中按固液比1:8至1:10加入导电炭黑，搅拌均匀后用去离子水浸泡0.5至2小时，抽滤、淋洗后得到湿润物料；

3)在湿润物料中加入2+x摩尔份的氢氧化钠溶液，充分搅拌使混合均匀，烘干脱水并在350℃至600℃下煅烧3-6小时后得到钠离子载体-碳复合粉体。