[发明专利]一种高担量自支撑厚电极的制备及其在钠离子电池中的应用

说明书

本发明属于电极材料领域，公开了一种采用相转化制备的高担量自支撑厚电极及其制备方法与应用。该工艺制得的电极有如下优点：1)无需集流体、粘结剂和额外的导电碳，极大地提升了电极的整体能量密度；2)该电极厚度为300～3000μm，担量在8～55mg cm^‑2，这种厚电极能提升整个储能设备中活性材料占比，提高整个储能设备的能量密度；3)相比薄电极，在达到相同能量储存容量下，高担量厚电极的制备步骤更少，生产成本更低；4)该电极具有连通两个电极表面的微米级指状孔和分散于整个电极的百纳米级孔，这些孔保证该电极即使在一个高的担量下也具有优异的倍率性能。该方法将推进高担量自支撑厚电极的工业化应用与规模化生产。

技术领域

本发明属于电极材料领域，公开了一种采用相转化制备的高担量自支撑厚电极及其制备方法与应用。

背景技术

能源是社会发展的重要推动力，目前所使用的能源主要分为可再生能源(风能、水能、太阳能等)和不可再生能源(煤、石油、天然气等)。由于不可再生能源资源短缺并对环境污染严重，可再生能源的发展越来越受到人们的关注，但可再生能源不连续、不稳定，将其直接并网会对电网产生很大的冲击。储能技术是解决可再生能源不连续、不稳定的关键技术。在众多的储能技术中，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，被广泛地应用于各种便携式电子设备和电动汽车中，但锂资源储量有限、分布不均匀,限制了锂离子电池的规模化发展。钠与锂具有相似的化学、物理性质，且Na的储量丰富(Na的丰度是Li的1000倍)，分布广泛，成本较低，钠离子电池的发展能够有效地缓解锂资源短缺的问题。

目前，考虑到钠离子电池材料的高性价比，具有商业化应用潜力的正极有：磷酸钒钠(Na₃V₂(PO₄)₃)、氟磷酸钒钠(NaVPO₄F、Na₃V₂O_x(PO₄)₂F_3-x；0≤x≤2)、金属氧化物(Na_xNi_yFe_zMn_wO₂、Na_xNi_yFe_zCu_wO₂；0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤w≤1)、磷酸铁钠(NaFePO4)等；具有商业化应用潜力的负极有：钛酸钠(Na2Ti3O7)、磷酸钛钠(NaTi2(PO4)3)、二氧化钛(TiO2)、二硫化钼(MoS2)、锡(Sn)、碳(C)等。这些电极的制备方法主要采用的是传统的刮涂方法，即将活性材料、粘结剂、导电碳配成浆料，然后刮涂在集流体上，制得的电极活性材料占比很小，电极的整体能量密度低。为了提高电极的整体能量密度，自支撑电极应运而生。自支撑电极是指电极活性材料在不依靠集流体的情况下，可以独立作为电极组装电池使用的电极，其优点在于无需使用粘结剂、导电碳和集流体，极大地提高了电极中活性物质质量占比，从而提高电池的整体能量密度。不过，目前的自支撑电极的制备方法(如棉布/树木作自支撑电极，碳纳米管/石墨烯抽滤成膜，静电纺丝等)能耗高，制备时间长，产量小，故较难实现大规模工业化生产。相转化法方法简单，能耗低，是一种比较适合于自支撑电极大规模工业化生产的方法，但一般的相转化法(如蒸汽相转化)得到的电极呈现出三维海绵状的形貌，在较低的电极厚度(＜150μm)，较低的担量(＜5mg cm^-2)下，能表现出好的性能。但当担量提高后，由于钠离子在电极里的扩散路径为折线型，钠离子的扩散路径长，扩散慢，倍率性能表现很差。