[发明专利]包含预润湿结构的钠电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，涉及钠电池，具体涉及一种含预润湿结构设计的钠电池及其制备技术，更具体地说本发明揭示了在钠电池固体电解质表面设计一种以球烯、杯芳烃及二者复合为基础的结构及其制备方法，该结构可以可逆存储钠原子，能有效快速传输钠离子与电子，能提高金属与陶瓷之间润湿性，可能应用于特种涂层、电化学储能等领域。

背景技术

上世纪七十年代以来，金属钠为阳极的钠-氯化物和钠硫电池，以其能量密度高、循环效率高、成本低、环境友好等优点，在储能和电动车等诸多领域都引起了广泛兴趣。目前，除了日本以将钠硫电池成功商业化以外，还没有第二个国家可以将这两种钠电池商业化，其关键原因在于电池的内阻高和安全问题还未妥善解决。对于钠电池的阳极（负极）而言，钠与固体电解质之间良好的润湿性可以促进钠离子在固体电解质界面快速传输，降低界面电阻，减少界面极化，从而可以减少电池内阻和提高电池的安全性。因此，在固体电解质表面设计一种含预润湿的结构对提高钠与固体电解质之间的润湿性显得尤为重要。为提高钠与固体电解质之间的润湿性，常用的方法是对固体电解质表面进行修饰，如采用多孔的纳米金属铅、铋、钠离子导体等进行表面包覆（GB2067005、PCT/GB90/01584、WO91/06133、GB1530274、GB1511152）都取得了一定的成效。但是这种表面包覆通常是采用火焰溅射法和等离子体溅射方法实现的，其制备工艺复杂，成本较高，对环境条件要求苛刻，很难满足大规模应用的需要。

对于钠电池的钠负极（阳极），现有技术公开了通过提高钠在β″-氧化铝上的润湿性能可以有效地抑制钠与β″-氧化铝之间的界面极化，例如参见中国专利201110338910.7，其公开一种提高beta-氧化铝固体电解质陶瓷表面钠润湿性能的方法，其用多孔碳膜包覆beta-氧化铝固体电解质使beta-氧化铝固体电解质和钠之间的润湿性明细改善。又，例如参见中国专利201210157239.0，其公开一种用于beta电池的阳极毛细管，其通过在固体电解质表面设置多孔金属介质来实现阳极与固体电解质之间的良好接触。

对于钠电池的正极（阴极），需要使充放电过程中钠离子和电子能迅速从β″-氧化铝固体电解质表面迁移，β″-氧化铝与正极材料之间必须有良好的接触。研究发现，在β″-氧化铝表面包覆一层铅或铋可以有效提高钠与β″-氧化铝之间首次润湿性（参见英国专利2067005），而包覆一层与正极材料有良好相容性的多孔过渡层可以加快充放电过程中固体电解质附近电化学反应中的物质迁移（参见美国专利3811493和3980496）。参见中国专利201210158420.3，其公开一种用于钠硫电池的阴极导电过渡层及包含其的钠硫电池，其通过在固体电解质表面设置多孔复合物介质来实现阴极与固体电解质之间的良好接触。

八十年代发现的以C₆₀为代表的球烯碳原子簇，由于其特殊的电子结构和反应性能而引起了经久不衰的研究热潮。C₆₀直径为0.7nm，可能容纳0.5nm的金属离子，形成球烯包合物，也成为了科学家眼中的研究焦点。目前，得到的球烯包合物多为稀土、碱土和碱金属的包合物，以及惰性气体和非金属包合物。理论计算和氧化还原电位测定表明，与球烯相比，球烯包合物的电离势更小而电子亲和能更大，因而既可作为较强的电子给体被氧化，又可作为较强的电子受体被还原。其中，碱金属Na与C₆₀在200～400℃可以引发C₆₀分子在二维平面聚合，且伴随着电荷转移的作用下形成Na₄C₆₀聚合物，是一种金属性导电聚合物(G.Oszlányi,G.Baumgartner,G.Faigel,and L.Forró,Phys.Rev.Lett.78(1997)4438;A.Rezzouk et al.Physica E15(2002)107)。分子动力学第一性原理研究表明，在不同的温度条件下，钠原子可以在C₆₀表面和表面以外自由移动（Lavanya M.Ramaniah and Mauro Boero,J.Chem.Phys.133(2010)134701）。本发明人认识到可能利用钠球烯包合物优良的结构和导电特性，可以在固体电解质表面设计一种以球烯为基础的预润湿结构，以提高钠与固体电解质之间的润湿性，然而目前还未见文献报道。