[发明专利]基于铁基聚阴离子型正极与碳基负极的宽温钠离子电池

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体为一种基于铁基聚阴离子型正极与碳基负极的宽温钠离子电池。本发明宽温钠离子电池中，正极材料为铁基聚阴离子型正极材料中一种或几种的混合；负极为石墨、硬碳、软碳中的一种或几种的混合物；电解液含醚类溶剂，以有机钠盐和/或无机钠盐作为溶质，在较宽的温度范围(‑70℃~160℃)内表现出良好的离子电导性。本发明中的宽温钠离子电池成本低廉，能够在‑70 ^oC~160℃的温度范围内稳定工作，具有较高的能量密度，并表现出良好的循环性能、功率特性和倍率性能，可以被用作高寒、高温、环境温度变化较大区域的储能装置。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种钠离子电池。

背景技术

近年来，锂离子电池飞速发展，已经在各行各业得到广泛应用。但人们日益増长的需求和锂资源的储量贫瘠直接制约着锂离子电池发展，尤其是大规模储能，例如新能源汽车和智能电网的发展，对二次电池的发展提出了新的要求。钠原子与锂原子具有相似的原子结构和化学性质，而且全球钠元素的储量丰富分布范围广，钠离子电池还具有较高的比能量和低生产成本。因此随着锂离子电池受锂资源和生产成本的影响限制其广泛应用，具有相似电化学性质的钠离子电池成为研究者关注的焦点。目前，一些钠离子电池电极材料的性能已经得到了显著提升，虽然在能量密度方面始终难以超越锂离子电池，但是已经可以作为锂离子电池应用的有效补充。

在含醚类电解液的钠离子电池体系中，电极材料表面生成薄而坚固的有机/无机杂化的SEI，大部分碳基材料由于溶剂共嵌，载流子在电极/电解液界面无需脱溶剂化，因而会表现出快速的反应动力学与稳定的循环性能，使用碳基电极材料，可以有效降低当前商业化钠离子电池的成本。铁基聚阴离子型正极材料具有可调的电压，较低的成本，较高的循环稳定性，良好的倍率性能，是钠离子电池正极材料的理想选择之一。

然而，值得注意的是：醚类溶剂的稳定电位窗口有限，其往往在高于4V(vs.Na/Na⁺)时会发生分解，因此无法被应用于高电压钠离子电池。本发明则首次将其与混合碳基负极以及铁基聚阴离子型化合物正极材料结合(工作电压小于4V)。本发明中利用铁基聚阴离子型化合物作为正极，石墨、硬碳、软碳中的一种或几种的混合物作为负极，醚类溶剂作为电解液，组装全电池，可以得到低成本、循环稳定的钠离子电池。同时由于醚类溶剂的高沸点和低熔点，该全电池还可以在-70-160℃的温度范围内工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有宽工作温度范围的低成本、长循环寿命、高能量密度、与倍率性能优异的钠离子电池。

本发明提供的钠离子电池，由正极、负极、电解液组成；其中，正极材料为铁基聚阴离子型化合物中的一种或几种的混合；负极为石墨、硬碳、软碳中的一种或几种的混合物；电解液含醚类溶剂，以有机钠盐和/或无机钠盐为溶质，在较宽的温度范围(-70℃～160℃)内表现出高的离子电导；并具有高沸点、低凝固点的特点；电解液中，钠离子的浓度范围为0.01～10mol/L。

其工作原理主要是在充放电过程中，Na⁺在正负电极之间往返嵌入和脱出：充电时，Na⁺从正极脱出，经过电解质嵌入负极，负极处于富钠状态；放电时则相反。

本发明中，所述正极活性物质可以通过纳米化(≤1微米)和表面碳包覆来提升其电化学性能。

本发明中，所述醚类溶剂选自二乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、甲基九氟正丁基醚、八氟戊基-四氟乙基醚中的一种或几种混合，混合溶剂的作用主要是调节电解液在高温或低温下的粘稠度、相应的离子电导和高电压下抗氧化能力。

本发明中，所述溶质包括有机钠盐及无机钠盐，包括但不限于六氟磷酸钠、双(三氟甲基磺酰亚胺)钠、三氟甲基磺酸钠、四氯硼酸钠、高氯酸钠、四氟硼酸钠、硝酸钠、六氟锑酸钠、苯甲酸钠、对甲苯磺酸钠、双氟磺酰亚胺钠、四氯铝酸钠、四氯铁酸钠、四苯硼钠中的一种或几种。