[发明专利]一种钠金属电池用Al-V合金薄膜基底材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钠金属电池用Al‑V合金薄膜基底材料及其制备方法和应用，属于电池材料技术领域。本发明在制备钠金属电池Al‑V合金薄膜基底材料时，先将铝箔依次用去离子水和乙醇超声清洗，然后将清洗后的铝箔放置在磁控溅射镀膜设备中进行磁控溅射，最后在一定条件下进行热处理，降温后即得钠金属电池Al‑V合金薄膜基底材料。采用本发明的制备方法得到的Al‑V合金薄膜基底材料，不仅较好地增大了材料的比表面积，且其微观形貌(棒状)有利于形成均匀界面电场，有效增加了钠离子沉积的活性位点和成核位点，诱导钠金属均匀沉积，有效抑制了钠枝晶的形成，提高了电池的使用寿命。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，更具体地说，涉及一种钠金属电池用Al-V合金薄膜基底材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会经济的发展，人类对能源的需求日益增长，而传统化石能源逐渐枯竭以及化石能源带来的一系列环境问题，已经不能满足人类社会发展的需要。因此，开发新的可再生能源如太阳能、风能、潮汐能等刻不容缓。但是二次能源具有间隙性、波动性，不易储存，需要开发新的高效的稳定的能量储存体系。锂离子电池由于能量密度大、循环寿命长、工作温度范围宽等优点被广泛应用于移动通信、电动汽车、能源存储等领域。但由于锂资源日益匮乏、分布不均匀及价格高导致其不能大规模应用，因此需要开发新型储能装置。

金属钠与金属锂在元素周期表中位于同一主族，化学性质基本相同，且钠储量丰富，价格便宜，是代替锂离子电池成为新一代储能电池最佳候选者。负极材料是钠离子电池的重要部件之一。目前，市场上常用的负极材料主要包括碳基材料、过渡金属氧化物、硫化物以及各类合金化合物。基于这些负极材料的储钠机理，可将这些负极材料分为三大类：嵌插类负极材料、转化类以及合金类负极材料。传统的嵌插类负极材料的理论比容量较低，无法满足下一代储能体系对能量密度的要求。而开发转化类材料以及合金类材料虽然能显著提升电池的能量密度，但是此类材料在储钠过程中会发生巨大的体积变化，易导致电极材料粉化，严重影响了材料的机械性能以及电化学性能。钠金属负极因其极高的理论比容量(1166mA h g^-1)以及较低的电极电势(-2.714vs.标准氢电极)，被认为是最具有应用前景的钠离子电池负极之一。

然而，钠金属负极的应用仍面临一些挑战，如钠枝晶的生长、钠金属与电解液之间的副反应、充放电过程中大的体积膨胀等。其中，钠枝晶的生长不仅可以产生“死”钠和加速钠金属与电解液之间的副反应，导致容量的快速衰减，而且可能刺破隔膜，导致电池短路，甚至爆炸等严重的安全问题。而电极表面上Na⁺的不均匀分布将直接导致钠枝晶的形成，因此需要研究出促进Na⁺通量均匀的方法。最常用的方法之一是增加电极的表面积以减小局部电流密度，这可以通过构建不同结构的集流体来实现。铝箔可以用作钠金属电池中负极的集流体，由于局部电流的不均匀分布，易在铝箔上形成钠枝晶。本专利就是通过在铝箔表面形成一层铝钒合金的方法对铝集流体进行改性，从而达到抑制钠枝晶生长的目的。铝钒合金与溶质钒的生长限制效应协同作用，实现了晶粒细化，增大了材料的比表面积，有效增加了钠离子沉积的活性位点和成核位点，是一种很有发展潜力的钠金属电池基底材料。因此，如何制备出可以诱导钠金属均匀沉积的铝钒合金，对于推进铝钒合金在钠金属电池中的应用具有重要的意义。