[发明专利]一种多元合金诱导柔性钠金属电池基底及制备方法

说明书

本发明涉及一种多元合金诱导柔性钠金属电池基底及制备方法，锌合金镶嵌在碳管中，锌合金中还含有催化性金属元素或惰性金属元素；多元合金中的催化性元素可以诱导碳纳米管，形成3D导电网络骨架，不但可以有效降低电极的电流密度，还可以容纳钠金属沉积，从而抑制钠枝晶和“死钠”的产生，减缓钠金属负极在充放电循环过程中的体积变化；另一方面，在反应扩散、浓度梯度和电场的作用下，亲钠Zn原子溶出多元合金并迁移到碳纳米管中，使得亲钠位点的分布最大化，避免了团聚、体积膨胀和电解液过度消耗；采用此元合金基底匹配的软包电池的能量密度高，且具有良好的机械柔性；本发明元合金诱导柔性钠金属电池基底的制备方法，简单易行。

技术领域

本发明属于电化学能源材料技术领域，涉及一种多元合金诱导柔性钠金属电池基底及制备方法。

背景技术

随着工业化的进步和不断发展，传统的矿物燃料在烧烧中产生的有害气体和烟尘，不仅严重影响着自然环境和社会环境，对人类的生存环境也构成了巨大威胁。因此开拓可再生清洁能源成为当务之急。随着锂电池使用的普及和推广，锂作为关键原材料不可避免地将变得稀缺昂贵，随之锂电池的大规模生产也将举步维艰。钠(Na)具有较高的理论容量(1165mA h g^-1)、理想的氧化还原电位(-2.714V vs.标准氢电极)和丰富的地壳存储量(2.75％)，是一种很有前途的替代锂的负极。对于钠离子电池来说，商业化的硬碳作为负极已经不能满足能量密度的要求。而高容量的合金型负极如Sn，Sb，Bi等提供的能量密度的增加是以极片的快速粉化、寿命短为代价的。因此Na金属负极直接应用于Na金属电池在能量密度上显示出最大的潜力。然而，不受控制的钠枝晶的形成将穿会透隔膜，造成电池短路。此外，Na沉积会导致体积无限膨胀，不可避免地导致界面波动、内应力变化和固体电解质界面，从而耗尽Na⁺库存。在几何变形或机械载荷作用下，上述问题加剧了金属负极的结构不稳定和低库仑效率，阻碍了柔性、能量密集的金属钠电池的实现。

为缓解钠金属电池中的枝晶形成，提出了各种解决策略，包括高模量人工SEI构建、电解质改进和沉积基底改性。在这些方法中，包括具有亲钠性质和足够内部空间的金属宿主，如3D铜衬底、多孔铝集流器和独立银纳米线，以调节均质化的Na⁺通量。然而，仅基于可循环性或容量来评价这些金属基底的性能并不令人信服，因为3D基底的非活性重量和体积会抵消金属Na在重量/容量方面的优点。此外，还探索了轻质碳质材料作为钠的沉积宿主。最近，Hu等人开发了一种高比表面积的碳化木材复合材料来稳定镀钠过程，Kim的团队开发了一种用金纳米粒子装饰的碳薄膜，可以在整个复合材料上均匀地镀上Na。然而，这些碳基底多为硬质材料，并遭受着Na存储密度较低的困扰。一个最佳的“基底”应该平衡各种特性，包括足够的沉积空间、亲钠性、填充密度大、轻量化设计以及机械柔性，以便在实际的钠金属电池系统中提供可行的整体性能。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多元合金诱导柔性钠金属电池基底及制备方法，可有效抑制钠枝晶的产生，提高循环稳定性；

本发明的目的之一在于提供一种多元合金诱导柔性钠金属电池基底，可有效抑制钠枝晶的产生，提高循环稳定性；

本发明的目的之二在于提供一种多元合金诱导柔性钠金属电池基底及其制备方法，简单易行，价格低廉。

技术方案

一种多元合金诱导柔性钠金属电池基底，其特征在于包括锌合金和碳管；锌合金镶嵌在碳管中，其中锌合金的重量占基底总重量不大于20％；所述锌合金中还含有催化性金属元素。

所述锌合金中还含有惰性金属元素Al。

所述催化性金属元素包括Fe、Ni、Cu、Co中的一种或多种。

当催化性金属元素采用Fe、Ni、Co中的一种或多种时，Fe、Ni、Co与Zn的摩尔比为1:1:1:1。