[发明专利]一种超高功率密度钠离子电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种超高功率密度钠离子电池及其制备方法，该超高功率密度钠离子电池的正极为具有快钠离子导体结构的磷酸钒钠/无定形碳/导电碳复合材料，负极为石墨型碳材料，钠盐电解质溶于醚类溶剂中为电解液，正极与负极质量比为(0.8～2.0)：1；所得钠离子电池在平均功率大于10kW/kg条件下能量密度大于80Wh/kg，充放电循环5000次后容量保持率大于70％，具有工作电压高、能量密度高、功率密度高、循环寿命长且稳定性好的优点，在新能源领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于钠离子电池技术领域，特别涉及一种超高功率密度钠离子电池及其制备方法。

背景技术

绿色能源的大规模开发利用是未来发展趋势，是实现碳达峰碳中和目标的必由之路。绿色能源的规模化应用离不开储能技术的发展。目前，锂离子电池广泛应用于移动电子设备、电动汽车等领域。然而，随着电动汽车全面普及与高效大规模电化学储能的运用，需要可持续、成本低廉、安全性高、环境友好的高效储能装置。锂在地壳中的含量约为0.0065％，资源十分稀缺，并且中国锂储量少(约占全球总探明储量的13％)，将难以满足可持续的大规模储能需求。钠约占地壳储量的2.64％，资源丰富，分布广泛，发展基于钠离子的电化学储能技术可实现可持续的大规模储能运用。

钠离子的半径约是锂离子的1.3倍，其在嵌入/脱出电极材料时扩散动力学缓慢，并且伴随严重的材料晶格畸变，这些问题极大限制了钠离子储能材料与器件的功率密度与循环稳定性。目前，钠离子电池的储能技术多数满足在低功率工况下运作，难以适用于高功率等领域的运用(例如快充技术、城市公共巴士、制动能量回收再利用等)。因此，从钠离子电池电极材料的角度出发，开发具有高倍率性能的正极和负极材料，实现正、负极材料间反应动力学的高度匹配，开发具有在超高功率密度下兼顾高能量密度的钠离子电池具有广阔的实际应用价值。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种成本低廉、工艺简单、功率密度与能量密度高、循环寿命长的钠离子电池。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种超高功率密度钠离子电池，正极为具有快钠离子导体结构的磷酸钒钠/无定形碳/导电碳复合材料，负极为石墨型碳材料，钠盐电解质溶于醚类溶剂中为电解液，所述正极与负极质量比为(0.8～2.0)：1。所得钠离子电池在平均功率大于10kW/kg条件下能量密度大于80Wh/kg，充放电循环5000次后容量保持率大于70％。

所述正极的制备方法，包括如下步骤：

S1：将钒源(五氧化二钒)和还原性酸(无水草酸)以摩尔量比1：(3～4)溶于去离子水中，反应得到深蓝色反应液A；

S2：将钠源(草酸钠)、磷源(磷酸二氢铵)和碳源(葡萄糖)以摩尔量比为1.5：3：(0.1～0.5)加入步骤S1所得到的反应液A，搅拌30分钟，得到反应液B，即磷酸钒钠前驱体水溶液；

S3：将质量分数为2～10％的导电碳材料超声分散于乙二醇，得到分散程度良好的分散液C；

S4：将反应液B迅速倒入分散液C中，并在0～20℃下进行超声分散，得到反应液D；将反应液D在低温空气吹扫的条件下干燥，得到前驱体；

S5：将干燥后的前驱体进行研磨操作，并将干燥后的前驱体在惰性氛围中进行高温煅烧，冷却至室温，得到磷酸钒钠/无定形碳/导电碳复合材料；

S6：将磷酸钒钠/无定形碳/导电碳复合材料、导电添加剂以及粘结剂PVDF按照质量比(80～94)：(3～10)：(3～10)，加入有机溶剂NMP中混合均匀得到正极浆料，将正极浆料涂覆在涂碳铝箔上，经干燥、对辊处理后得到磷酸钒钠/无定形碳/导电碳复合材料正极片。

作为进一步优选的，S3步骤中导电碳材料在0～10℃下超声分散于乙二醇中。