一種碳復合正極的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碳復合正極的制備方法，向含鈉嵌入化合物基材中加入質量比1%-40%的碳質材料。本發(fā)明通過在含鈉的嵌入化合物中加入導電性較好的碳質材料，制備出碳復合正極，具有較高的電池比功率，優(yōu)良的電池循環(huán)性能。
【專利說明】一種碳復合正極的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳復合正極的制備方法，尤其涉及一種鈉電池領域的碳復合正極的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著社會的不斷發(fā)展，人類對能源的依賴程度逐漸加大。但是，傳統(tǒng)的能源多為不可再生能源，隨著開采使用量的增大，正在面臨著枯竭的危險。近些年，一些可以再生的清潔能源，如核能、水能、風能、太陽能等逐漸成為各國研究的熱點。對于風能、太陽能之類的能源，常常具有分散、能量供應波動較大等特點，需要一個較為可靠的儲能系統(tǒng)搭配，才能得到較為平穩(wěn)的輸出。
[0003]目前，儲能系統(tǒng)有抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超導儲能、二次電池和超級電容器儲能等多種形式。其中，二次電池和超級電容器儲能在日常生活中得到了廣泛的應用。二次電池比能量高、工作電壓高；超級電容器倍率和循環(huán)性能好。同時二次電池和超級電容器也存在較為明顯的不足，對于儲能系統(tǒng)要求的低成本、長壽命、環(huán)境友好、安全等條件無法完全滿足。
[0004]美國專利申請US20090253025A1提出了一種以鈉離子為主的水性可充電式電池，其工作原理與鋰離子電池的相似，通過充放電過程中鈉離子的“搖椅”式的往復運動來實現(xiàn)電能與化學能之間的轉換。復旦大學吳宇平課題組也提出了這種非對稱性水系鈉離子電池(中國專利申請CN101241802A、CN101087018A)，主要采用含鈉的嵌入化合物、活性炭等為正負極材料，得到一種新的可充電電池。
[0005]目前，鈉離子電池的研究剛剛處于起步階段。在倍率性能方面比較差，因而亟需一種可以提高電池的比功率，改善循環(huán)性能的鈉離子電池正極材料制備方法。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明目的在于一種鈉離子電池碳復合正極的制備方法，本發(fā)明通過在含鈉的嵌入化合物中加入導電性較好的碳質材料，制備出碳復合正極，具有較高的電池比功率，優(yōu)良的電池循環(huán)性能。
[0007]本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn):
[0008]一種碳復合正極的制備方法，包括以下步驟:
[0009]I)將含鈉嵌入化合物基材研磨過篩；
[0010]2)向步驟I)所述的研磨過篩后的基材中加入質量比1%_40%的碳質材料和溶劑后，進行再次研磨，形成漿料；
[0011]3)將質量比5%_20%的粘結劑溶于溶劑中，加入質量比為1%_20%的導電劑和步驟
2)所述的漿料，采用剪切方式高速分散，形成活性溶液；
[0012]4)加熱蒸發(fā)步驟3)所述的活性溶液，制得活性材料；
[0013]5)將步驟4)所述的活性材料經過包括揉捏、輥壓的過程制成軟膜片；[0014]6 )將步驟5 )所述的膜片裁切后，壓在適宜尺寸集流體上，制備出正極片。
[0015]步驟I)中所述的含鈉嵌入化合物基材為過渡金屬氧化物、硫化物、磷化物、硫酸鹽、磷酸鹽或者摻雜金屬或鹵族元素的鈉鹽基材。
[0016]步驟I)中所述的含鈉嵌入化合物基材可以包括NaMn204、NaMnO2, NaCoO2, NaNiO2,NaFePO4、NaFePO4F、NaV2O5或NaVPO4F的一種或幾種；還可以包括在前述基材中摻雜了 K、Mg、Al、Cu、Mn、T1、Zn或F中的一種或幾種元素的基材。
[0017]步驟2)中所述的碳質材料可以包括活性炭、介孔碳、碳納米管、碳納米線、石墨烯、玻態(tài)碳、碳纖維或炭氣凝膠中一種或幾種。
[0018]步驟3)中所述的溶劑可以是乙醇、丙醇、正丙醇、異丙醇或丁醇中的一種或幾種。
[0019]步驟3)中所述的混合步驟可以采用剪切方式高速分散、機械攪拌、磁力攪拌或球磨的方式。
[0020]步驟4 )中所述的溶劑可以是乙醇、丙醇、正丙醇、異丙醇或丁醇中的一種或幾種。
[0021]所述的碳復合正極的制備方法制備的碳復合正極，所述碳質材料的質量比為1%-40%。
[0022]本發(fā)明提出一種鈉離子電池正極材料及正極的改性方法，制備出鈉離子電池碳復合正極，使用本發(fā)明的方法制備的正極可以用于水性鈉離子電池。同現(xiàn)有技術相比，其具有較高的放電比容量和放電比能量，可以大大提高電池的倍率和循環(huán)性能。此外，還可以改善正極的加工性能，提高電極片的親水性，有利于電解液充分的浸潤。
【具體實施方式】
[0023]下面通過實施例，對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細的說明，但不限于實施例的內容。
[0024]實施例1
[0025]采用質量比75%的研磨過篩的NaMnO2基材、質量比15%的活性炭以及乙醇混合均勻，再次研磨形成漿料；按照漿料:導電劑:粘結劑=80:10:10，即漿料80%，導電劑10%，粘結劑10%的質量比例與溶劑調成活性溶液，采用高速剪切方式充分混合；45°C下蒸發(fā)活性溶液制得活性材料，再經揉捏、碾壓等步驟制成厚度為200 μ m的軟膜片。裁剪成Φ 12mm的圓片，壓在適宜尺寸的泡沫鎳集流體上，烘干、稱重，制成正極片。
[0026]電池負極制備過程與正極相同，負極活性物質:導電劑:粘結劑=80:10:10。按照正負極質量比1.2:1配對，在0.5mol/L的Na2SO4水溶液中真空浸潰4h，采用商用鎳氫電池無紡布為隔膜組裝成扣式電池。靜置過夜后進行電池倍率性能測試。采用恒流充放電，電壓范圍 0.2V-1.85V。
[0027]電池以0.3C的倍率充放電，比能量為27Wh/kg;以IC的倍率充放電，比能量為20.lWh/kg，循環(huán)500次比能量基本無衰減。
[0028]實施例2
[0029]采用質量比99%的研磨過篩的NaMnO2基材、質量比1%的碳納米管以及丙醇混合均勻，再次研磨形成漿料；按照漿料:導電劑:粘結劑=75:5:20，即漿料75%，導電劑5%，粘結劑20%的質量比例與溶劑調成活性溶液，采用機械攪拌混合；45°C下蒸發(fā)活性溶液制得活性材料，再經揉捏、碾壓等步驟制成厚度為210 μ m的軟膜片。裁剪成Φ15_的圓片，壓在適宜尺寸的泡沫鎳集流體上，烘干、稱重，制成正極片。
[0030]電池負極制備過程與正極相同，負極活性物質:導電劑:粘結劑=80:10:10。按照正負極質量比1.2:1配對，在0.5mol/L的Na2SO4水溶液中真空浸潰4h，采用商用鎳氫電池無紡布為隔膜組裝成扣式電池。靜置過夜后進行電池倍率性能測試。采用恒流充放電，電壓范圍 0.2V-1.85V。
[0031]電池以0.3C的倍率充放電，比能量為28.9ffh/kg;電池以IC的倍率充放電，比能量為22.2ffh/kg循環(huán)500次比能量基本無衰減。
[0032]實施例3
[0033]采用質量比60%的研磨過篩的NaMnO2基材、質量比40%的介孔碳以及異丙醇混合均勻，再次研磨形成漿料；按照漿料:導電劑:粘結劑=79:20:1，即漿料79%，導電劑20%，粘結劑1%的質量比例與溶劑調成活性溶液，采用球磨方式充分混合；45°C下蒸發(fā)活性溶液制得活性材料，再經揉捏、碾壓等步驟制成厚度為250 μ m的軟膜片。裁剪成ΦΙΟπιπι的圓片，壓在適宜尺寸的泡沫鎳集流體上，烘干、稱重，制成正極片。
[0034]電池負極制備過程與正極相同，負極活性物質:導電劑:粘結劑=80:10:10。按照正負極質量比1.2:1配對，在0.5mol/L的Na2SO4水溶液中真空浸潰4h，采用商用鎳氫電池無紡布為隔膜組裝成扣式電池。靜置過夜后進行電池倍率性能測試。采用恒流充放電，電壓范圍 0.2V-1.85V。
[0035]電池以0.3C的倍率充放電，比能量為27.6ffh/kg;電池以IC的倍率充放電，比能量為20.4ffh/kg ;循環(huán)500次比能量基本無衰減。
[0036]對比例I
[0037]對比例I內容與實施例1不同的是:采用質量比100%的研磨過篩的NaMnO2基材與乙醇混合均勻。
[0038]電池以0.3C的倍率充放電，比能量為23.77ffh/kg;以IC的倍率充放電，比能量為18.lWh/kg，循環(huán)500次比能量保持率98%。
[0039]從對比例I與實施例1-3的比較可知，在負極相同的情況下，實施例1-3中以碳復合正極制備的電池以0.3C1C和的倍率充放電的比能量優(yōu)于對比例I同條件下的電池比能量；實施例1-3中循環(huán)500次比能量基本無衰減，對比例I能量保持率98%，實施例1-3的循環(huán)性能優(yōu)于對比例I。
【權利要求】
1.一種碳復合正極的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將含鈉嵌入化合物基材研磨過篩； 2)向步驟I)所述的研磨過篩后的基材中加入質量比1%_40%的碳質材料和溶劑后，進行再次研磨，形成漿料； 3)將質量比5%-20%的粘結劑溶于溶劑中，加入質量比為1%_20%的導電劑和步驟2)所述的漿料混合，形成活性溶液； 4)加熱蒸發(fā)步驟3)所述的活性溶液，制得活性材料； 5)將步驟4)所述的活性材料經過包括揉捏、輥壓的過程制成軟膜片； 6)將步驟5)所述的膜片裁切后，壓在適宜尺寸集流體上，制備出正極片。
2.根據權利要求1所述的碳復合正極的制備方法，其特征在于步驟I)中所述的含鈉嵌入化合物基材為過渡金屬氧化物、硫化物、磷化物、硫酸鹽、磷酸鹽或者摻雜金屬或齒族元素的鈉鹽基材。
3.根據權利要求2所述的碳復合正極的制備方法，其特征在于步驟I)中所述的含鈉嵌入化合物基材包括 NaMn204、NaMnO2、NaCoO2、NaNiO2、NaFePO4、NaFePO4F, NaV2O5 或 NaVPO4F中的一種或幾種；還包括在前述基材中摻雜了 K、Mg、Al、Cu、Mn、T1、Zn或F中的一種或幾種元素的基材。
4.根據權利要求1所述的碳復合正極的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的碳質材料包括活性炭、介孔碳、碳納米管、碳納米線、石墨烯、玻態(tài)碳、碳纖維或炭氣凝膠中一種或幾種。
5.根據權利要求1所述的碳復合正極的制備方法，其特征在于步驟3)中所述的溶劑為乙醇、丙醇、正丙醇、異丙醇或丁醇中的一種或幾種。
6.根據權利要求1所述的碳復合正極的制備方法，其特征在于步驟3)中所述的混合步驟采用剪切方式高速分散、機械攪拌、磁力攪拌或球磨的方式。
7.根據權利要求1所述的碳復合正極的制備方法，其特征在于步驟4)中所述的溶劑為乙醇、丙醇、正丙醇、異丙醇或丁醇中的一種或幾種。
8.根據權利要求1-7中任意一項所述的碳復合正極的制備方法制備的碳復合正極，其特征在于所述碳質材料的質量比為1%_40%。
【文檔編號】H01M4/02GK103915628SQ201310004734
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年1月6日 優(yōu)先權日:2013年1月6日
【發(fā)明者】侯珊珊, 李長青 申請人:北京漢能創(chuàng)昱科技有限公司