[发明专利]用于钠硫电池的阴极导电过渡层及包含其的钠硫电池

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，涉及钠硫电池，更具体地说，涉及一种用于钠硫电池的阴极导电过渡层，以及包含该阴极导电过渡层的钠硫电池。

背景技术

上个世纪七十年代以来，钠硫电池作为一种重要的储能电池，以其能量密度大，循环效率高，成本低廉，无污染等优点引起了人们的广泛关注。目前，只有日本、美国和中国等少数国家在研究钠硫电池，并且只有日本将钠硫电池产业化，而我国尚在努力之中。钠硫电池最终实用化所面临的关键问题是进一步降低电池内阻和提高电池的安全性。对于钠硫电池的硫阴极，由于单质硫是电子的绝缘体，硫阴极一般使用碳毡或石墨毡作为电极导电网络以降低电池内阻，同时为了使充放电过程中硫能迅速从beta-氧化铝固体电解质表面迁移，beta-氧化铝与导电网络之间必须有良好的接触，以便电子的传导和电化学反应的有效进行。研究发现，在beta-氧化铝表面包覆一层与电极导电网络有良好相容性的多孔导电膜可以加快充放电过程中固体电解质附近电化学反应中的物质迁移（参见美国专利3811493和3980496）。一些导电材料已经被研究用于修饰beta-氧化铝表面，例如表面部分氧化的多孔金属（参见美国专利4084042）。但是这些材料存在着与导电网络（一般为碳毡或石墨毡）相容性差，导电性不好，对硫熔体的耐腐性差等问题。因此，探索一种在beta-氧化铝表面直接制备结合良好的多孔稳定且与导电网络相容性好的导电过渡层且高效低成本的方法成为改善钠硫电池的性能和安全性的一个重要方面。

因此，本领域迫切需要开发出一种直接与beta-氧化铝等固体电解质结合良好，用于钠硫电池阴极的导电过渡层，以实现beta-氧化铝等固体电解质与导电网络之间的良好接触，并对阴极硫熔体有好的抗腐蚀性，在不增加电池内阻的前提下改善钠硫电池的阴极性能和安全性。

发明内容

本发明提供了一种新颖的用于钠硫电池的阴极导电过渡层及包含其的钠硫电池，从而解决了现有技术中存在的问题。

一方面，本发明提供了一种用于钠硫电池的阴极导电过渡层，所述钠硫电池包括阳极、固体电解质、阴极、以及阴极导电网络，其中，所述阴极导电过渡层包括：

多孔复合介质，所述多孔复合介质沿所述固体电解质表面设置，以在所述固体电解质表面实现所述阴极导电网络与所述固体电解质的良好接触；以及

活性流体分布层，所述活性流体分布层设置在所述固体电解质与所述阴极之间，用以实现离子和电子的有效传输。

在一个优选的实施方式中，所述固体电解质与所述多孔复合介质直接接触，以防止所述阴极导电过渡层与固体电解质脱离。

在另一个优选的实施方式中，所述多孔复合介质在所述固体电解质与所述阴极导电网络之间形成阴极导电过渡层。

在另一个优选的实施方式中，所述多孔复合介质的平均孔尺寸大于活性流体的分子尺寸。

在另一个优选的实施方式中，所述固体电解质选自钠离子导体陶瓷和钠离子导体玻璃。

在另一个优选的实施方式中，所述固体电解质为beta-Al₂O₃或Na₅GdSi₄O₁₂。

在另一个优选的实施方式中，所述多孔复合介质由在所述固体电解质表面上流延的、涂覆的或喷涂的材料形成。

在另一个优选的实施方式中，所述多孔复合介质由碳材料和金属材料构成。

在另一个优选的实施方式中，所述碳材料选自石墨、碳黑、活性炭、碳纤维、石墨烯、碳纳米管等；所述金属材料选自铁、钴、镍、铬、锰、钨等，以及它们的合金和混合物。

另一方面，本发明提供了一种钠硫电池，它包括上述阴极导电过渡层。

附图说明

图1是本申请实施例1中多孔镍碳复合介质包覆后的beta-氧化铝表面的截面扫描电子显微镜照片。

图2是通过四探针法测试本申请实施例1中多孔镍碳复合介质的面电阻（或方块电阻）时的测试曲线，分别对应1、2探针和3、4探针之间的伏安曲线。

图3是本申请实施例1和实施例2中多孔镍碳复合介质经过熔融硫腐蚀8小时后的表面扫描电镜照片。

具体实施方式