本發(fā)明屬于鈉離子電池領(lǐng)域,更具體地,涉及一種鈉離子電池負(fù)極材料及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù):
隨著可再生能源的開發(fā)與利用,不連續(xù)性與區(qū)域差異大的缺點(diǎn)越來越影響到其大規(guī)模應(yīng)用,所以能量的存儲就變得十分重要?,F(xiàn)在,商業(yè)使用的能量存儲裝置主要是鉛酸、鋰離子電池,鉛酸電池由于污染環(huán)境逐漸失去主導(dǎo)地位,鋰離子電池由于全球鋰資源的分布不均與儲量不豐富,其成本一直居高不下。而此時,鋰離子電池原理相近的鈉離子電池,由于資源豐富、成本低廉且電化學(xué)性能優(yōu)異,越來越得到廣泛的關(guān)注。
目前,已經(jīng)商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料石墨并不能有效地應(yīng)用于鈉離子電池,開發(fā)一種低成本且性能不錯的鈉離子電池負(fù)極材料是目前亟待解決的一個問題。硬碳與無機(jī)電極材料的質(zhì)量比容量很高,但是同時具有循環(huán)性能差、環(huán)境不友好和成本高的缺點(diǎn),因此越來越多的科研工作者將目光聚焦于有機(jī)電極材料的制備。有機(jī)電極材料具備環(huán)境友好、儲量豐富、結(jié)構(gòu)多樣的特點(diǎn),有望成為傳統(tǒng)無機(jī)材料的理想替代者,目前主要分為四大類:有機(jī)硫化物、氮氧自由基聚合物、共軛羰基化合物和有機(jī)導(dǎo)電聚合物。就綜合電化學(xué)性能而言,羰基化合物具有最為全面的優(yōu)異的電化學(xué)性能。但是大多數(shù)具有電化學(xué)活性的羰基化合物容易溶解在有機(jī)電解液中,這會導(dǎo)致電池性能的逐漸衰減,并且有些羰基化合物制備過程復(fù)雜,提純困難,成本高。因此,找到一種低成本且電化學(xué)性能好的電極材料作為鈉離子電池負(fù)極材料是目前鈉離子電池需要解決的一個問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種鈉離子電池負(fù)極材料的制備方法及其產(chǎn)品與應(yīng)用,該負(fù)極材料成本低廉、制作簡單,是一種電化學(xué)性能優(yōu)異的鈉離子電池負(fù)極材料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,按照本發(fā)明的一個方面,提供了一種鈉離子電池負(fù)極材料的制備方法,包括如下步驟:
(1)制備濃度為1mg/mL-20mg/mL的氧化石墨烯水溶液,按照下述配料比將腐植酸鈉加入到氧化石墨烯水溶液中,得到混合物,其中,腐植酸鈉的質(zhì)量百分比為50%-95%,氧化石墨烯的質(zhì)量百分比為5%-50%;
(2)將步驟(1)中混合物攪拌均勻,60℃-200℃下烘干,然后在氫氣或氫氣與惰性氣體的混合氣體氛圍下進(jìn)行還原反應(yīng),反應(yīng)溫度被控制為100℃-300℃,反應(yīng)時間被控制為1h-48h,由此得到粉末狀的鈉離子電池負(fù)極材料。
腐植酸鈉與石墨烯復(fù)合,兩者之間具有π-π相互作用,一方面腐殖酸鈉可以減少石墨烯的堆疊,避免兩者之間的團(tuán)聚、促進(jìn)復(fù)合,另一方面,石墨烯提高了腐殖酸鈉的電子導(dǎo)電性與離子導(dǎo)電性。在制備過程中,直接使用商品化、不需提純的腐植酸鈉,通過簡單地混合與還原,便可得到這種鈉離子電池負(fù)極材料,制備方法簡單。
優(yōu)選地,氧化石墨烯水溶液的濃度為2mg/mL-10mg/mL,進(jìn)一步優(yōu)選地,氧化石墨烯水溶液的濃度為5mg/mL。
優(yōu)選地,步驟(2)中烘干溫度為70℃-150℃,進(jìn)一步優(yōu)選地,烘干溫度為80℃。
優(yōu)選地,步驟(2)中還原反應(yīng)溫度為150℃-250℃,還原反應(yīng)時間為1.5h-24h,進(jìn)一步優(yōu)選地,還原反應(yīng)溫度為200℃,還原反應(yīng)時間為2h。
按照本發(fā)明的另一個方面,提供了一種鈉離子電池負(fù)極材料,該負(fù)極材料由上述制備方法制備得到。
按照本發(fā)明的另一個方面,提供了一種鈉離子電池正極極片,包括集流體和涂覆在集流體上的由上述制備方法制得的負(fù)極材料。
優(yōu)選地,正極極片還包括導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑,負(fù)極材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為:50wt%-99wt%:0.1wt%-30wt%:0.1wt%-30wt%;導(dǎo)電劑為炭黑、乙炔黑、天然石墨、碳納米管、石墨烯和碳纖維中的一種或多種;粘結(jié)劑為聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯基醚、聚酰亞胺、苯乙烯-丁二烯共聚物和羧甲基纖維素鈉中的一種或多種。
按照本發(fā)明的另一個方面,提供了一種鈉離子電池,該鈉離子電池采用上述制備方法制備得到的負(fù)極材料。
按照本發(fā)明的另一個方面,提供了一種鈉離子電池,該鈉離子電池采用腐植酸鈉作為負(fù)極材料。
總體而言,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,能夠取得下列有益效果:
1、本發(fā)明開拓性地將腐植酸鈉應(yīng)用到鈉離子電池材料當(dāng)中,制備得到的負(fù)極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,良好的質(zhì)量比容量與倍率性能,是一種潛在的鈉離子電池負(fù)極材料。
2、腐殖酸鈉是一種小分子,化學(xué)成分簡單,不溶于有機(jī)電解液,因而不會導(dǎo)致電池性能的衰減,同時可以直接使用商品化的腐植酸鈉作為負(fù)極材料,成本低廉。
3、該負(fù)極材料成分簡單,只包括腐植酸鈉和石墨烯兩種主要成分,腐植酸鈉具有可再生、成本低廉、環(huán)保和資源豐富的特點(diǎn),因此該負(fù)極材料的商業(yè)化潛能巨大。
4、該負(fù)極材料的制備方法簡單,可直接使用商品化的腐殖酸鈉,只需簡單混合即可得到該負(fù)極材料,操作條件溫和,易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
附圖說明
圖1是鈉離子電池負(fù)極材料的制備流程圖;
圖2是腐植酸鈉與實(shí)施例1所制備的鈉離子電池負(fù)極材料的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR);
圖3是腐植酸鈉與實(shí)施例1所制備的鈉離子電池負(fù)極材料的掃描電鏡圖(SEM);
圖4是實(shí)施例4、5和6所制備的鈉離子電池負(fù)極材料的掃描電鏡圖(SEM);
圖5是實(shí)施例2和3所制備的鈉離子電池負(fù)極材料的掃描電鏡圖(SEM);
圖6是腐植酸鈉與實(shí)施例1所制備的鈉離子電池負(fù)極材料的循環(huán)伏安曲線;
圖7是腐植酸鈉與實(shí)施例1、2、3、4、5和6所制備的鈉離子電池負(fù)極材料在100mA/g的電流密度下的循環(huán)性能。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
圖1展示了鈉離子電池負(fù)極材料的制備流程,具體實(shí)施例如下。
鈉離子電池負(fù)極材料的制備
負(fù)極材料制備實(shí)施例1
稱取900mg腐植酸鈉,與20ml濃度為5mg/ml的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,200℃下還原2h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
如圖2所示,展示了腐植酸鈉與鈉離子電池負(fù)極材料的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR),證實(shí)了負(fù)極材料里腐植酸鈉與石墨烯的存在。圖3給出了腐植酸鈉和實(shí)施例1的鈉離子電池負(fù)極材料的掃描電鏡圖(SEM),其中,(a)(b)為腐植酸鈉的SEM圖,(c)(d)為鈉離子電池負(fù)極材料的SEM圖;由圖可知,與單純的腐植酸鈉相比,與石墨烯復(fù)合之后,片狀變大,并且表面呈現(xiàn)片層狀,說明腐植酸鈉與石墨烯結(jié)合得較好。
負(fù)極材料制備實(shí)施例2
稱取950mg腐植酸鈉,與10ml濃度為5mg/ml的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,200℃下還原2h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例3
稱取800mg腐植酸鈉,與40ml濃度為5mg/ml的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,200℃下還原2h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例4
稱取700mg腐植酸鈉,與60ml濃度為5mg/ml的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,200℃下還原2h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例5
稱取600mg腐植酸鈉,與80ml濃度為5mg/ml的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,200℃下還原2h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例6
稱取500mg腐植酸鈉,與100ml濃度為5mg/ml的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,200℃下還原2h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
圖4和圖5展示了由不同比例氧化石墨烯制備得到的負(fù)極材料(50%、40%、30%、20%、5%)的SEM圖,其中,圖4(a)(b)氧化石墨烯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為50%,(c)(d)氧化石墨烯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為40%,(e)(f)氧化石墨烯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為30%。圖5(a)(b)氧化石墨烯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為20%,(c)(d)氧化石墨烯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%;由圖4和圖5可知,隨著石墨烯的含量增大,石墨烯的形貌愈來愈明顯,表面表現(xiàn)出石墨烯的褶皺。
圖6是腐植酸鈉和負(fù)極材料制備實(shí)施例1制備得到的鈉離子電池負(fù)極材料的循環(huán)伏安曲線。測試條件為:對電極為金屬鈉,電壓窗口為0.01V-3V,掃速為0.1mV/s,電解液為1M NaClO4的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1:1)的溶液。從兩者的循環(huán)伏安曲線來看,在腐植酸鈉與石墨烯復(fù)合之后,閉合曲線所圍成的面積增大,電化學(xué)活性增強(qiáng)不少,并且主要的容量貢獻(xiàn)集中在較低的電壓窗口,有利于作為鈉離子電池負(fù)極材料,進(jìn)而得到能量密度更高的電池。
圖7是腐植酸鈉和分別由負(fù)極材料制備實(shí)施例1、2、3、4、5和6制備得到的鈉離子電池負(fù)極材料(氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為10%、5%、20%、30%、40%和50%)的循環(huán)性能。測試條件為:對電極為金屬鈉,測試電壓范圍為0.01V-3V,電流密度為100mA/g,電解液為1M NaClO4的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1:1)的溶液。從圖中可知,隨著石墨烯含量的增加,負(fù)極材料的循環(huán)性能先變好后漸漸變差,由負(fù)極材料制備實(shí)施例1制備得到的鈉離子電池負(fù)極材料展現(xiàn)出最為穩(wěn)定與優(yōu)異的循環(huán)性能,在100圈之后,還有接近200mAh/g的質(zhì)量比容量。
負(fù)極材料制備實(shí)施例7
稱取950mg腐植酸鈉,與50ml濃度為1mg/mL的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在200℃的溫度下干燥得到混合物;在通氫氣的條件下,100℃下還原48h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例8
稱取500mg腐植酸鈉,與25ml濃度為20mg/mL的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在60℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,300℃下還原1h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例9
稱取700mg腐植酸鈉,與30ml濃度為10mg/mL的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在通氬氣氫氣混合氣的條件下,150℃下還原24h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例10
稱取800mg腐植酸鈉,與100ml濃度為2mg/mL的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在80℃的溫度下干燥得到混合物;在氫氣的條件下,250℃下還原1.5h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
負(fù)極材料制備實(shí)施例11
稱取600mg腐植酸鈉,與80ml濃度為5mg/mL的氧化石墨烯水溶液混合,攪拌混合均勻后,放入烘箱在70℃的溫度下干燥得到混合物;在氫氣的條件下,200℃下還原2h,得到鈉離子電池負(fù)極材料。
正極極片的制備
正極極片制備實(shí)施例1
將負(fù)極材料制備實(shí)施例1制備的鈉離子電池負(fù)極材料與導(dǎo)電劑炭黑Super-p,粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯按如下質(zhì)量百分比混合:60wt%:30wt%:10wt%。研磨,涂覆在集流體上干燥,干燥的溫度設(shè)定為60℃,干燥的時間設(shè)定為24h制得一電極極片。
正極極片制備實(shí)施例2
將負(fù)極材料制備實(shí)施例7制備的鈉離子電池負(fù)極材料與導(dǎo)電劑炭黑、粘結(jié)劑聚四氟乙烯按如下質(zhì)量百分比混合:60wt%:30wt%:10wt%,研磨,涂覆在集流體上干燥,干燥的溫度設(shè)定為120℃,干燥的時間設(shè)定為10h制得所需正極極片。
正極極片制備實(shí)施例3
將負(fù)極材料制備實(shí)施例8制備的鈉離子電池負(fù)極材料與導(dǎo)電劑碳納米管、粘結(jié)劑聚氨酯按如下質(zhì)量百分比混合:50wt%:20wt%:30wt%,研磨,涂覆在集流體上干燥,干燥的溫度設(shè)定為80℃,干燥的時間設(shè)定為16h制得所需正極極片。
正極極片制備實(shí)施例4
將負(fù)極材料制備實(shí)施例9制備的鈉離子電池負(fù)極材料與導(dǎo)電劑碳纖維、粘結(jié)劑聚乙烯基醚按如下質(zhì)量百分比混合:99wt%:0.1wt%:0.9wt%,研磨,涂覆在集流體上干燥,干燥的溫度設(shè)定為100℃,干燥的時間設(shè)定為13h制得所需正極極片。
正極極片制備實(shí)施例5
將負(fù)極材料制備實(shí)施例10制備的鈉離子電池負(fù)極材料與導(dǎo)電劑乙炔黑、粘結(jié)劑羧甲基纖維素鈉按如下質(zhì)量百分比混合:99wt%:0.9wt%:0.1wt%,研磨,涂覆在集流體上干燥,干燥的溫度設(shè)定為110℃,干燥的時間設(shè)定為12h制得所需正極極片。
正極極片制備實(shí)施例6
將負(fù)極材料制備實(shí)施例11制備的鈉離子電池負(fù)極材料與導(dǎo)電劑乙炔黑、粘結(jié)劑羧甲基纖維素鈉按如下質(zhì)量百分比混合:99wt%:0.9wt%:0.1wt%,研磨,涂覆在集流體上干燥,干燥的溫度設(shè)定為110℃,干燥的時間設(shè)定為12h制得所需正極極片。
鈉離子電池的制備方法
鈉離子電池制備實(shí)施例1
將正極極片制備實(shí)施例1制備的正極極片做成2032型扣式電池,其中,負(fù)極極片為金屬鈉,隔膜采用芳綸隔膜,電解液為1M NaClO4的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1:1)的溶液。
鈉離子電池制備實(shí)施例2
將正極極片制備實(shí)施例7制備的正極極片做成2032型扣式電池,其中,負(fù)極極片為金屬鈉,隔膜采用無紡布隔膜,電解液為1M NaPF6的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1:1)的溶液。
鈉離子電池制備實(shí)施例3
將正極極片制備實(shí)施例8制備的正極極片做成2032型扣式電池,其中,負(fù)極極片為金屬鈉,隔膜采用聚乙烯微孔膜,電解液為1M NaBF4的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1:1)的溶液。
鈉離子電池制備實(shí)施例4
將正極極片制備實(shí)施例9制備的正極極片做成2032型扣式電池,其中,負(fù)極極片為金屬鈉,隔膜采用聚丙烯膜,電解液為1M NaClO4的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)(體積比為1:1)的溶液。
鈉離子電池制備實(shí)施例5
將正極極片制備實(shí)施例10制備的正極極片做成2032型扣式電池,其中,負(fù)極極片為金屬鈉,隔膜采用聚丙烯聚乙烯雙層復(fù)合膜,電解液為1M1M NaPF6的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)(體積比為1:1)的溶液。
鈉離子電池制備實(shí)施例6
將正極極片制備實(shí)施例11制備的正極極片做成2032型扣式電池,其中,負(fù)極極片為金屬鈉,隔膜采用加有陶瓷涂覆層的聚丙烯聚乙烯三層復(fù)合膜,電解液為1M NaBF4的碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)(體積比為1:1)的溶液。
在上述鈉離子電池制備過程中,隔膜、電解液中的電解質(zhì)與溶劑等均不限于上述實(shí)施例中公開的材料,隔膜包括芳綸隔膜、無紡布隔膜、聚乙烯微孔膜、聚丙烯膜、聚丙烯聚乙烯雙層或三層復(fù)合膜及其陶瓷涂覆層隔膜中的一種;電解液中的電解質(zhì)為NaPF6、NaBF4、NaClO4、NaAsF6、NaCF3SO3、NaN(CF3SO2)、NaBOB、NaCl、NaBr、NaI中的至少一種或者混合物,電解液中的溶劑包括丙烯碳酸酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、乙腈、乙酸乙酯、亞硫酸乙烯酯中的至少一種或幾種混合物。
在上述所有實(shí)施例中各步驟中涉及的材料、壓力、時間等參數(shù)僅用于示例和解釋,本發(fā)明的方案中并不限于上述具體的數(shù)值,只要在權(quán)利要求書所述的范圍內(nèi),均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
由上述實(shí)施例可知,根據(jù)本發(fā)明制備的鈉離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能,良好的質(zhì)量比容量與倍率性能。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。