[发明专利]一种用于钠离子电池的两元化合物Cu2Se正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属电化学技术领域，具体涉及一类用于纳离子电池的正极材料及其制备方法。

背景技术

由于化石燃料等传统能源的大量使用造成了全球性的环境问题和气候变化另一方面化石燃料等不可再生能源的储量也是有限的。所以开发新能源就显得尤其重要，风能、太阳能、潮汐能等由于受天气和资历位置的影响较大，对其的有效利用就需要将其和化学电源结合使用，将其发出的电能储存于化学电源中，在经过电网输送给用户。大规模的储能需要大量的化学电源，现在已经比较成熟的商品化的电池如铅酸蓄电池由于使用重金属铅会造成很大的环境污染，对于锂离子电池，如果大规模使用，一方面是锂在地球上的储量有限，另一方面锂离子电池的成本很高。而钠离子电池，主要使用的是钠，钠元素在地球上的储量远远大于锂，并且价格也比锂便宜。钠离子电池作为大规模储能应用的电池将会有很大优势。寻找大容量，高能量密度的钠离子正极材料显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于提出一类性能良好的钠离子电池正极材料及其制备方法。

本发明提出的锂离子电池正极材料，是一种具有面心立方结构的Cu₂Se材料。经研究表明，此类材料具有良好的电化学性能，可作为高性能钠离子电池的正极材料。目前为止没有关于Cu₂Se材料用作钠离子电池正极材料的报道。

本发明提出的作为钠离子电池正极材料的Cu₂Se为薄膜形式，其薄膜材料的厚度为1.8—2.5μm，优选厚度为2μm。

本发明使用一种简单的后硒化方法制备Cu₂Se正极材料，同时不需要进一步处理而得到了可以直接使用的无粘结剂和额外加入导电剂的极片。具体步骤如下： 

取一定量的硒置于反应釜中，再将铜网放于反应釜中，盖上反应釜的盖子，用机械泵抽真空，至1×10^-3Pa以下；加热反应釜至380--420℃，并在该温度保持1.5—2.5小时；降温至室温。

薄膜厚度可由扫描电镜测定，硒化后硒的重量根据电子天平称量，实验前后基片重量作差得到，而硒化铜（Cu₂Se）的质量按照化学计量比计算得到。

本发明中，硒化铜（Cu₂Se）的晶体结构由X射线衍射仪测定。

本发明中，硒化铜（Cu₂Se）薄膜可直接制成钠离子电池薄膜电极。电化学性能测试采用由两电极组成的电池系统，其中，Cu₂Se薄膜用作工作电极，高纯钠片用作对电极和参比电极。电解液为1M NaClO₄ + EC + DMC （V/V=1/1）。电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电实验在蓝电（Land）电池测试系统上进行。

本发明中，由后硒化方法制成的硒化铜（Cu₂Se）电极具有良好的充放电性能，第一次充放电反应的放电平台出现在1.93V（相对于Na⁺/ Na），之后各次放电过程的平台也出现在1.93 V。充电平台为2.02V，在之后的各次充电过程中其平台也保持在2.02V，硒化铜（Cu₂Se）电极的极化很小。进行100次循环之后其容量仍然有113.6mAh/g。在0.1C的条件下容量为251.4mAh/g，2C条件下仍然有90.8mA/g的容量。

上述性能表明，硒化铜（Cu₂Se）是一类新型的正极材料，可应用于钠离子电池。

附图说明

图1为硒化铜（Cu₂Se）电极的充放电曲线。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

取一定量的硒置反应釜中，再将铜网放于反应釜中，盖上反应釜的盖子，用机械泵抽真空，至1×10^-3Pa以下，加热反应釜至400摄氏度并保持400℃ 2h，降温至室温。XRD衍射图样表明制备的薄膜为Cu₂Se。

将制得的电极作为工作电极，以高纯钠片作为对电极组装成模拟电池。其中电解液为1M NaClO₄ + EC + DMC (EC与DMC的体积比为1/1)，电池装配在充氩气的干燥箱内进行。电池的充放电在Land电池测试系统上进行。Cu₂Se薄膜电极表现出了良好的电化学性能。电池放电平台在1.9V左右，容量达到253mAh/g左右（见图1）。