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      熔鹽電解質(zhì)和鈉熔鹽電池的制作方法_2

      文檔序號(hào):9402218閱讀:來源:國知局
      在鈉鹽為單價(jià)鹽時(shí),所述鈉離子的濃度與鈉鹽的濃 度相同)優(yōu)選為包含在熔鹽電解質(zhì)中的陽離子的2摩爾%以上,更優(yōu)選5摩爾%以上,尤其 優(yōu)選8摩爾%以上。這種熔鹽電解質(zhì)具有良好的鈉離子傳導(dǎo)性且即使在其中在高倍率電流 下實(shí)施充電和放電的情況下仍易于實(shí)現(xiàn)高容量。鈉離子的濃度優(yōu)選為包含在熔鹽電解質(zhì)中 的陽離子的30摩爾%以下,更優(yōu)選20摩爾%以下,尤其優(yōu)選15摩爾%以下。
      [0047] 這種熔鹽電解質(zhì)的離子液體含量高,粘度低,且即使在其中在高倍率電流下實(shí)施 充電和放電的情況下仍易于實(shí)現(xiàn)高容量。鈉離子濃度的優(yōu)選上限和優(yōu)選下限可以適當(dāng)合并 以確定優(yōu)選范圍。例如,鈉離子濃度的優(yōu)選范圍可以為2摩爾%~20摩爾%或5摩爾%~ 15摩爾%。
      [0048] 溶于離子液體中的鈉鹽可以是鈉離子與陰離子如硼酸根陰離子、磷酸根陰離子或 亞胺(imide)陰離子的鹽。硼酸根陰離子的實(shí)例是四氟硼酸根陰離子。磷酸根陰離子的實(shí) 例是六氟磷酸根陰離子。亞胺陰離子的實(shí)例是雙(磺酰)亞胺陰離子。然而,陰離子不能 限制于此。其中,鈉離子與雙(磺酰)亞胺陰離子的鹽是優(yōu)選的。通過使用雙(磺酰)亞 胺陰離子,能夠得到具有高耐熱性和高離子傳導(dǎo)性的熔鹽電解質(zhì)。
      [0049] 離子液體是由陽離子和陰離子構(gòu)成的液體鹽。在離子液體中,在高耐熱性和低粘 度方面,有機(jī)鐵陽離子與雙(磺酰)亞胺陰離子的鹽是優(yōu)選的。然而,在200~500nm的波 長(zhǎng)范圍內(nèi)展示峰的雜質(zhì)以相對(duì)大的量包含在包含有機(jī)鐵陽離子的離子液體中。
      [0050] 有機(jī)t翁陽離子的實(shí)例包括:源自脂族胺、脂環(huán)族胺或芳族胺的陽離子(例如季銨 陽離子);含氮的輸陽離子如具有含氮雜環(huán)的有機(jī):輸陽離子(例如源自環(huán)胺的陽離子);含 硫的鍵陽離子;以及含磷的儀陽離子。
      [0051] 季銨陽離子的實(shí)例包括四烷基銨陽離子(四C1 i。烷基銨陽離子)如四甲基銨陽離 子、乙基三甲基銨陽離子、己基三甲基銨陽離子、乙基三甲基銨陽離子(TEA+)以及甲基三乙 基銨陽離子(TEM +)。
      [0052] 含硫的I翁陽離子的實(shí)例包括叔锍陽離子如三烷基锍陽離子(例如三C1 i。烷基锍 陽離子),即三甲基锍陽離子、三己基锍陽離子和二丁基乙基锍陽離子。
      [0053] 含磷的儀陽離子的實(shí)例包括季膦陽離子如四烷基膦陽離子(例如四C1 i。烷基膦 陽離子),即四甲基膦陽離子、四乙基膦陽離子和四辛基膦陽離子;和烷基(烷氧基烷基) 膦陽離子(例如三C 1 i。烷基(C i 5烷氧基C i 5烷基)膦陽離子),即三乙基(甲氧基甲基) 膦陽離子、二乙基甲基(甲氧基甲基)膦陽離子和三己基(甲氧基乙基)膦陽離子。在烷 基(烷氧基烷基)勝陽尚子中,鍵合到憐原子的烷基和烷氧基烷基的總數(shù)為4,且烷氧基燒 基的數(shù)目?jī)?yōu)選為1或2。
      [0054] 鍵合到季銨陽離子的氮原子、叔锍陽離子的硫原子或季膦陽離子的磷原子的烷基 的碳原子數(shù)目?jī)?yōu)選為1~8,更優(yōu)選1~4,尤其優(yōu)選1、2或3。
      [0055] 有機(jī)_陽離子的含氮雜環(huán)骨架的實(shí)例包括具有一個(gè)或兩個(gè)氮原子作為構(gòu)成環(huán)的 原子的五元~八元雜環(huán)如啦略燒、咪唑燒、咪唑、啦啶和哌啶;具有一個(gè)或兩個(gè)氮原子和其 他雜原子(例如氧原子和硫原子)作為構(gòu)成環(huán)的原子的五元~八元雜環(huán)如嗎啉。
      [0056] 作為構(gòu)成環(huán)的原子的氮原子可以具有諸如烷基的有機(jī)基團(tuán)以作為取代基。烷基的 實(shí)例包括具有1~10個(gè)碳原子的烷基如甲基、乙基、丙基和異丙基。烷基的碳原子數(shù)優(yōu)選 為1~8,更優(yōu)選1~4,尤其優(yōu)選1、2或3。
      [0057] 除了季銨陽離子之外,包含吡咯烷、吡啶或咪唑烷作為含氮雜環(huán)骨架的含氮有機(jī) 1翁陽離子是特別優(yōu)選的。具有吡咯烷骨架的有機(jī)^陽離子優(yōu)選在構(gòu)成吡咯烷環(huán)的一個(gè)氮原 子上具有兩個(gè)上述烷基。具有吡啶骨架的有機(jī)翅陽離子優(yōu)選在構(gòu)成吡啶環(huán)的一個(gè)氮原子上 具有一個(gè)上述烷基。具有咪唑烷骨架的有機(jī)?陽離子優(yōu)選在構(gòu)成咪唑烷環(huán)的兩個(gè)氮原子的 各個(gè)氮原子上具有一個(gè)上述烷基。
      [0058] 具有吡咯烷骨架的有機(jī)鐵陽離子的具體實(shí)例包括1,1-二甲基吡咯烷輸陽離子、 1,1-二乙基吡咯烷_陽離子、1-乙基-1-甲基吡咯烷犧陽離子、1-甲基-1-丙基吡咯烷鋪 陽離子(MPPY +)、1-甲基-1- 丁基吡咯烷鑰陽離子(MBPY+)和1-乙基-1-丙基吡咯烷磁陽 離子。其中,特別地,考慮到高電化學(xué)穩(wěn)定性,具有甲基和含2~4個(gè)碳原子的烷基的吡咯 烷鐵陽離子如MPPY +和MBPY +是優(yōu)選的。
      [0059] 具有吡啶骨架的有機(jī)1義陽離子的具體實(shí)例包括1-烷基吡啶鐵陽離子如1-甲基吡 啶i翁陽離子、1-乙基吡啶雜陽離子和1-丙基吡啶纖陽離子。其中,具有含1~4個(gè)碳原子 的烷基的吡啶_陽離子是優(yōu)選的。
      [0060] 具有咪唑烷骨架的有機(jī)_陽離子的具體實(shí)例包括1,3-二甲基咪唑雜陽離子、 1-乙基-3-甲基咪唑輸陽離子(ΕΜΓ)、1-甲基-3-丙基咪唑鐵陽離子、1- 丁基-3-甲基咪 唑:鶴陽離子(ΒΜΓ)、1-乙基-3-丙基咪唑I翁陽離子和1- 丁基-3-乙基咪唑_陽離子。其 中,具有甲基和含2~4個(gè)碳原子的烷基的咪唑鍵陽離子如ΕΜΓ和BMI +是優(yōu)選的。
      [0061] 離子液體可以包含一種上述陽離子或兩種以上的上述陽離子。離子液體可以包含 鈉之外的堿金屬的陽離子與陰離子如雙(磺酰)亞胺陰離子的鹽。堿金屬的陽離子的實(shí)例 包括鉀、鋰、銣和銫的陽離子。其中,鉀是優(yōu)選的。
      [0062] 構(gòu)成離子液體或鈉鹽的陰離子的雙(磺酰)亞胺陰離子的實(shí)例包括:雙(氟磺酰) 亞胺陰離子[(N (SO2F) 2 )]、(氟磺酰)(全氟烷基磺酰)亞胺陰離子[例如(氟磺酰)(三氟 甲基磺酰)亞胺陰離子((FSO2) (CF3SO2) N )]和雙(全氟烷基磺酰)亞胺陰離子[例如雙(三 氟甲基磺酰)亞胺陰離子(N(SO2CF3) 2)和雙(五氟乙基磺酰)亞胺陰離子(N(SO2C2F5) 2 ]。 全氟烷基的碳原子數(shù)為例如1~10,優(yōu)選為1~8,更優(yōu)選為1~4,特別地為1、2或3。這 些陰離子可以單獨(dú)或以兩種以上陰離子組合的方式使用。
      [0063] 在雙(磺酰)亞胺陰離子中,如下物質(zhì)是優(yōu)選的:雙(氟磺酰)亞胺陰離子(FSI ); 雙(全氟烷基磺酰)亞胺陰離子如雙(三氟甲基磺酰)亞胺陰離子(TFSI )、雙(五氟乙基 磺酰)亞胺陰離子(PFSI )和(氟磺酰)(三氟甲基磺酰)亞胺陰離子等。
      [0064] 熔鹽電解質(zhì)的具體實(shí)例包括:包含鈉離子與FSI的鹽(Na · FSI)作為鈉鹽和 MPPY+與FSI的鹽(MPPY*FSI)作為離子液體的熔鹽電解質(zhì);以及包含鈉離子與TFSI的鹽 (Na · TFSI)作為鈉鹽和MPPY+與TFSI的鹽(MPPY · TFSI)作為離子液體的熔鹽電解質(zhì)。
      [0065] 考慮到熔鹽電解質(zhì)的熔點(diǎn)、粘度和離子傳導(dǎo)性的平衡,鈉鹽對(duì)離子液體的摩爾比 (鈉鹽/離子液體)為例如98/2~80/20,優(yōu)選為95/5~85/15。
      [0066] [正極]
      [0067] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的正極的前視圖。圖2是沿圖1中的直線II-II截取 的橫斷面視圖。
      [0068] 鈉熔鹽電池用正極2包括正極集電器2a和粘合到正極集電器2a的正極活性材料 層2b。正極活性材料層2b包含正極活性材料作為必要成分并可以包含導(dǎo)電碳材料、粘合劑 等作為任選的成分。
      [0069] 作為正極活性材料,優(yōu)選使用含鈉的金屬氧化物。所述含鈉的金屬氧化物可以單 獨(dú)或以多種含鈉的金屬氧化物的組合的方式使用。含鈉的金屬氧化物粒子的平均粒度(體 積粒度分布的累積值為50%時(shí)的粒度D50)優(yōu)選為2 μπι以上且20 μπι以下。術(shù)語"平均粒 度D50"是指使用激光衍射粒度分布分析儀通過激光衍射/散射法測(cè)量的值,且這也適用于 下文中。
      [0070] 例如,可以將鈉的亞鉻酸鹽(NaCrO2)用作含鈉的金屬氧化物。鈉的亞鉻酸鹽中 的一部分Cr或Na可以被另一種元素取代。例如,由如下通式表示的化合物是優(yōu)選的: Na1 ,M1xCr1 yM2y02(其中0彡X彡2/3,0彡y彡0.7,且M1和M 2各自獨(dú)立地為除Cr和Na之 外的金屬元素)。在通式中,X更優(yōu)選滿足0.5。M1和M 2優(yōu)選例如為選自如下元素 中的至少一種元素:Ni、Co、Mn、Fe和Al。注意,M1代表占據(jù)Na位點(diǎn)的元素,M 2代表占據(jù)Cr 位點(diǎn)的元素。
      [0071] 鈉的鐵錳酸鹽(Na2/3Fe1/3Mn2/30^)也可以被用作含鈉的金屬氧化物。鈉的鐵錳 酸鹽的一部分Fe、Mn或Na可以被另一種元素取代。例如,由如下通式表示的化合物是優(yōu)選 的:Na 2/3 xM3xFe1/3 yMn2/3 zM4y+z02 (其中 0 彡 X 彡 2/3,0 彡 y 彡 1/3,0 彡 z 彡 1/3,且 M3和 M4各 自獨(dú)立地為除Fe、Mn和Na之外的金屬元素。在通式中,X更優(yōu)選滿足0 < X < 1/3。M3優(yōu) 選例如為選自如下元素中的至少一種元素:Ni、Co和Al。M4優(yōu)選例如為選自如下元素中的 至少一種元素:Ni、Co和Al。注意,M 3代表占據(jù)Na位點(diǎn)的元素,且M 4代表占據(jù)Fe或Mn位 點(diǎn)的元素。
      [0072] 此外,可以將 Na2FeP04F、NaVP04F、NaCoP04、NaNiP0 4、NaMnP04、NaMnuNio.A、 NaMn0.5Ni0.502等用作含鈉的金屬氧化物。
      [0073] 并入正極中的導(dǎo)電碳材料的實(shí)例包括石墨、炭黑和碳纖維。導(dǎo)電碳材料易于確保 良好的導(dǎo)電路徑。然而,導(dǎo)電碳材料會(huì)造成與殘留在正極活性材料中的碳酸鈉的副反應(yīng)。然 而,在本發(fā)明中,由于殘留的碳酸鈉的量顯著減少,所以能夠在充分抑制副反應(yīng)的同時(shí)確保 良好的導(dǎo)電性。在導(dǎo)電碳材料中,從通過少量使用就易于形成足夠的導(dǎo)電路徑的觀點(diǎn)來看, 炭黑是尤其優(yōu)選的。炭黑的實(shí)例包括乙炔黑、科琴黑和熱裂法炭黑。
      [0074] 每100質(zhì)量份的正極活性材料,導(dǎo)電碳材料的量為2~15質(zhì)量份,更優(yōu)選3~8 質(zhì)量份。
      [0075] 粘合劑的作用是使得正極活性材料相互結(jié)合并將正極活性材料固定到正極集電 器。能夠使用的粘合劑的實(shí)例包括氟樹脂、聚酰胺、聚酰亞胺和聚酰胺-酰亞胺
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