[发明专利]高担量活性物质电极制备及其电极和应用

说明书

本发明涉及一种高担量活性物质电极的制备和应用，进行溶剂浸渍、冷冻干燥的方法，经溶剂浸渍后的高担量电极具有蓬松多孔结构，经冷冻干燥获得稳定的蓬松多孔结构。由此方法制备的具有蓬松多孔结构的高担量电极，可以有效促进钠离子在电极中的扩散传质，尤其是强化高倍率下钠离子在电极中的扩散。通过电池性能测试，由本发明制备的高担量活性物质电极组装的钠离子电池性能获得大幅度提升，尤其在高倍率下性能得到显著改善。

技术领域

本发明涉及钠离子电池电极材料技术领域，特别涉及一种高担量活性物质电极制备方法及其在钠离子电池中的应用。

技术背景

众所周知，锂离子电池具有体积小、重量轻、能量密度高等优点，在手机、笔记本电脑等便携设备以及电动自行车、电动汽车等交通工具中正发挥着越来越重要的作用。锂离子电池的用量逐年增加，特别是支持新能源发展的储能电池需求旺盛。根据美国地质调查局的数据显示，2015年全球已探明的锂资源量(金属锂当量)为3950万吨，其中几乎73％集中分布在南美洲少数国家。全球可开采锂资源储量约为1350万吨(以碳酸锂当量计算约为7100万吨)，近两年锂资源的年平均开采量为3.5万吨，即便如此预计也仅可供开采385年，更何况目前每年的锂资源开采量正逐渐增加。随着锂离子电池应用范围的快速扩展，必然会出现锂资源供不应求的局面。因此，寻求储量丰富，成本低廉且可取代锂离子电池锂资源的任务迫在眉睫。

根据地壳中各种化学元素的丰度数据可以发现，金属钠元素储量为2.75％，约为锂含量的400倍；且金属钠分布区域广泛(钠分布于全球各地，而约70％的锂集中分布在南美洲地区)；同时钠和锂的物理化学性质和脱/嵌机制类似，这就使得钠离子电池的研究与开发有望在一定程度上缓解由于锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题。但是由于钠离子半径比锂离子半径大，其能量密度和功率密度比锂离子电池要低。然而在规模储能应用中对电池能量密度的要求并不是太高，其成本和寿命则是关心的重点。从这个角度去看，钠离子电池在大规模储能应用领域拥有比锂离子电池更大的市场竞争优势。因此，大力发展大规模储能应用的钠离子电池技术具有十分重要的战略意义。

研究和开发价格低廉且性能优异的钠离子电池是最终实现钠离子电池实用化的关键。目前，钠离子电池电极上活性物质的担量还较低(1～2mg cm^-2)，虽然通过各种方法，使得电池性能得到明显改善，但低担量活性物质电极组装成的电池仍无法满足实际应用需要。组装高担量活性物质电极的钠离子电池是其实用化发展的关键。提高活性物质的担量，势必会引起钠离子在电极中的传质受阻，降低电池整体性能，尤其是降低在高倍率下的电池性能。因此，探索有利于提高高担量活性物质电极中的钠离子扩散传质的电极制备方法十分关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

提出了一种溶剂浸渍、冷冻干燥的制备方法获得多孔蓬松结构的高担量活性物质-集流体一体化电极，并将其应用在钠离子电池中。

该制备方法如下：

首先将电极活性物质、导电剂和粘结剂混合成溶质，并用溶剂N-甲基吡咯烷酮溶剂溶解，溶质为溶剂和溶质总质量的20-50％；电极活性物质、导电剂和粘结剂三者混合质量比例为50～90:5～20:5～30；将溶解的电极活性物质、导电剂和粘结剂混合，在搅拌器上搅拌4-6h，配置成混合均匀且呈黑色粘稠状的浆料；