[发明专利]原位SEI膜包覆Na-K液态合金电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种原位SEI膜包覆Na‑K液态合金电极及其制备方法和作为碱金属二次电池负极材料的应用，通过高温下导电载体吸附Na‑K液态合金，再快速插入电解液中淬火，制备结构稳定的原位SEI膜包覆Na‑K液态合金电极。该电极包括导电载体、载体上吸附的Na‑K液态合金和表面的原位SEI膜。本发明电极具有高库伦效率、无枝晶生长和结构稳定等特点，可同时作为钾金属负极和钠金属负极，与硫、普鲁士蓝等正极材料匹配时，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技术领域，具体涉及一种原位SEI膜包覆Na-K液态合金电极及其制备方法和作为碱金属二次电池负极材料应用。

背景技术

随着科技的发展，目前常规储能设备无法满足市场上新能源汽车和移动电子设备的需求。碱金属二次电池作为一种新型储能器件，具有储量大、制备成本低、电化学窗口宽等特点，在移动通讯、电动汽车以及储能等领域具有广阔的应用前景。然而，碱金属负极在使用过程中容易产生枝晶，导致电池短路，造成安全隐患。以Na-K合金为代表的液态合金因其无枝晶的特性，成为新兴的无枝晶电极材料研究方向。因此，研究常温下结构稳定的液态金属电极和稳定的界面对碱金属二次电池的应用发展具有重要意义。

Na-K液态合金具有低毒性、宽稳定温度(在常温下甚至-12.6℃都以液态形式存在)等特性，是极具发展潜力的高性能无枝晶电极材料。然而较强的表面张力难以在集流体表面湿润，而且Na-K液态合金电极与电解液界面不稳定，在循环过程中，导致电极表面Na-K液态合金因为自身表面张力，发生自我团聚，形成液滴，从电极表面脱落，导致活性物损失，造成电池循环过程中的电压波动，更容易穿过隔膜，导致短路。

研究表明，在高温下(420℃)可以提升Na-K液态合金在基底上的湿润性，同时基底的多孔结构能为Na-K液态合金提供了大量的储存空间，解决了Na-K液态合金储存的问题。但恢复到室温后，由于Na-K液态合金表面张力的恢复，导致复合电极表面裸露的Na-K液态合金脱落，表明简单的碳载体负载Na-K液态合金不能从本质上解决界面稳定性这个问题。

目前国内外尚没有针对稳定Na-K液态合金电极与电解液界面研究，国内外对于Na-K液态合金穿梭问题没有任何的解决策略。因此，构建稳定的电极和电解液界面是Na-K液态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原位SEI膜包覆Na-K液态合金电极及其制备方法和作为碱金属二次电池负极材料的应用，该方法能够直接在各种结构和种类的导电载体上构建原位SEI膜包覆Na-K液态合金，以制备出具有较强稳定性的无枝晶碱金属电池负极。

一种原位SEI膜包覆Na-K液态合金电极的制备方法，包括以下步骤：

1)在惰性气体保护下，K金属和Na金属物理堆叠，发生K金属和Na金属合金化反应，获得Na-K液态合金；

2)在惰性气体保护下，将Na-K液态合金加热到300℃～800℃，再将导电载体与Na-K液态合金接触，Na-K液态合金(缓慢)湿润导电载体，待全部吸收后，得到负载Na-K液态合金的导电载体；

3)在惰性气体保护下，将未降温的负载Na-K液态合金的导电载体(快速)插入电解液中淬火，得到原位SEI膜包覆Na-K液态合金电极。

步骤1)中，所述K和Na的量按照一定的比例，所述的K金属的质量和Na金属的质量之比为70～89：11～30，优选为75～88：12～25，更进一步优选为77～87：13～23。

所述的K金属和Na金属为纯K和纯Na。

所述的K金属和Na金属使用前需要切割去除表面氧化物。