[发明专利]包含非对称修饰层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，更具体地说，涉及用于钠电池的非对称修饰层，以及包含该非对称修饰层的钠电池及其制备方法。

背景技术

包括钠硫电池、钠-氯化镍电池（亦称ZEBRA电池）在内的中温可逆钠电池由于其高的理论比能量（如ZEBRA电池为790Wh kg^-1）、长寿命、高的转化效率，好的循环稳定性和倍率性能以及低的制备和维护成本等特性，成为一种很有前景的大规模静态储能技术，并在动力应用中显示了良好的前景。此外，钠电池通常采用β″-氧化铝陶瓷作为固体电解质，稳定性好，而且是一种全密封电池，在运行过程中无任何气体释放，因而对环境友好，有很好的实用性和推广性。然而，钠电池的大规模的商用仍要求其具有更好的电化学性能，更高的安全性和更低的成本，因此仍面临一系列问题需要解决，例如钠电极在β″-氧化铝固体电解质上不完全润湿导致的界面极化以及正极材料与β″-氧化铝之间接触性能差导致电子和离子的传输受限是影响电池电化学性能和安全性能的主要因素。因此，改善和优化钠电池中电极与β″-氧化铝之间的界面行为十分重要且必要。

对于钠电池的钠阳极，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显改善。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，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层来实现阴极与固体电解质之间的良好接触。

然而，如何同时改善正、负极与固体电解质之间的界面行为至今仍未能很好地解决。因此，迫切需要开发出一种非对称修饰β″-氧化铝的方法和材料，以达到同时改善两极与β″-氧化铝固体电解质之间界面性能的目的。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种包含非对称修饰层的钠电池以达到同时改善正、负极与β″-氧化铝等固体电解质之间界面性能的目的。

在此，本发明提供一种包含非对称修饰层的钠电池，所述钠电池包括由金属钠阳极、固体电解质、金属卤化物阴极、设置在所述固体电解质的表面且位于所述电解质和阳极之间的阳极修饰层、以及设置在所述固体电解质的表面且位于所述电解质和阴极之间的阴极修饰层；

所述阳极修饰层包括沿所述固体电解质的表面设置以在所述固体电解质表面实现所述阳极与所述固体电解质的良好接触的阳极润湿层、以及分布在所述阳极润湿层中以实现所述阳极与所述固体电解质之间的离子和电子的有效传输的阳极活性流体；

所述阴极修饰层包括沿所述固体电解质的表面设置以在所述固体电解质表面实现所述阴极与所述固体电解质的良好接触的阴极多孔薄膜、以及分布在所述阴极多孔薄膜中以实现所述阳极与所述固体电解质之间的离子和电子的有效传输的阴极活性流体；

所述阳极润湿层和阴极多孔薄膜由互不相同的材料组成。

较佳地，所述阳极润湿层由碳材料或金属材料组成。金属材料例如为铁、钴、镍、铬、锰、锡等金属单质或其合金。采用由碳材料或金属材料组成的阳极润湿层可以实现阳极与固体电解质的良好接触。

较佳地，所述阳极润湿层沿所述固体电解质的表面形成稳定的多孔结构。采用本发明，阳极活性流体可均匀地分布在固体电解质的表面以实现所述阳极与所述固体电解质之间的离子和电子的有效传输。

本发明中，所述阳极活性流体由钠、或钠和所述润湿层中的金属形成的合金组成。例如在一个示例中，阳极润湿层由多孔碳膜形成，阳极活性流体由钠组成。又在另一个示例中，阳极润湿层由多孔金属膜形成，阳极活性流体由钠和多孔金属膜中的金属形成的合金组成。