[发明专利]一种高效液态碱金属合金电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高效液态碱金属合金电极及其制备方法和作为碱金属电池负极的应用，通过电沉积沉积法，在导电载体上先沉积钾金属，再沉积钠金属，制备高效室温下高效液态碱金属合金复合电极。高效液态碱金属合金复合电极包括导电载体、载体上沉积的高效液态碱金属合金和表面的SEI膜。本发明高效液态碱金属合金复合电极具有高库伦效率和无枝晶生长等特点，可同时作为钾金属负极和钠金属负极，与硫正极材料匹配时，显著提高全电池的能量密度和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及碱金属二次电池负极材料的技术领域，具体涉及一种高效液态碱金属合金电极及其制备方法和作为碱金属电池负极的应用。

背景技术

新能源汽车和移动电子设备的飞速发展迫切需要开发高比容量、高安全性、长循环寿命、低成本的电池。目前商品锂离子电池负极材料主要为石墨材料，但其较低的理论比容量(372mAhg^-1)，难以满足市场对高能量密度电池发展的需求。因此，探索高比容量、高安全性的新一代二次电池负极具有重要的意义。以碱金属为负极的二次电池具有较高的理论比容量。钾和钠相对于锂(Li)的储量大、制备成本低，电位接近Li，与Li具有相似的特性，因此，钾离子电池和钠离子电池被认为是替代现有锂电池的下一代电池。但钾和钠金属负极极易在表面生成枝晶，刺破隔膜，导致电池短路，降低循环寿命，并造成一定安全隐患。因此，抑制钾和钠负极枝晶的生长是钾和钠电池应用亟待解决的关键科学问题。

目前国内外尚没有针对钾和钠金属负极枝晶生长机理的研究，但近几年有大量对于Li金属的研究，钾和钠金属与Li金属有一定的相似性，因此Li金属抑制枝晶生长的机理对钾和钠金属有一定的借鉴作用。目前对于抑制Li金属负极枝晶的生长存在不同的策略：(1)在基底表面沉积金属氧化物，在基底表面对Li金属形成分散的形核点，避免Li金属在界面团聚形成枝晶；(2)通过对Li金属电极界面修饰，改变枝晶的生长方向，避免刺破隔膜；(3)采用表面SEI膜修饰抑制Li金属枝晶生长；(4)将Li金属与其他材料形成合金，改善枝晶的生长。综上所述，枝晶的生长是因为碱金属离子在负极上聚集沉积导致，是碱金属离子向固态碱金属转变的过程，分散形核和改变枝晶生长方向等方法不能完全抑制枝晶的生长。因此，采用常温下液态钠-钾合金作为负极，避免固态碱金属的存在，抑制枝晶的生长，是目前可以完全解决枝晶问题的策略。同时，钠-钾合金即可作为钠电池负极也可以作为钾电池负极材料应用。

钠-钾合金具有很强的流动性，很难在电极表面保持稳定的结构。常规的制备方法是将钠-钾合金加热到400℃以上，增加在载体材料上的湿润性，通过扩散的方式与载体材料结合。该方法要消耗较多的钠-钾合金，而且高温处理会破坏载体材料的结构，并增加钠-钾合金的活性，导致安全隐患。因此，开发一种较安全，并可以应用于企业化生产的制备方法是钠-钾合金负极大规模应用继续解决的关键性问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种高效液态碱金属合金电极及其制备方法和作为碱金属电池负极的应用，该方法能够直接在各种结构和种类的导电载体上沉积钠-钾合金，以制备出具有较强稳定性的碱金属电池负极。

一种高效液态碱金属合金电极的制备方法，包括以下步骤：

1)在惰性气体保护下，将导电载体作为阳极，将钾金属作为阴极并浸润到钾离子电解液中，在两极负载恒定电流，在导电载体上沉积后，获得钾金属复合电极，即沉积钾后的导电载体；

2)将钾金属复合电极作为阳极，钠金属作为阴极并浸润到钠离子电解液中，在两极负载电流，在钾金属复合电极沉积后，获得钠-钾合金复合电极，即高效液态碱金属合金电极；

或者

a)在惰性气体保护下，将导电载体作为阳极，将钠金属作为阴极并浸润到钠离子电解液中，在两极负载恒定电流，在导电载体上沉积后，获得钠金属复合电极，即沉积钠后的导电载体；