[发明专利]一种钠硫电池TiN正极集流体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钠硫电池TiN正极集流体及其制备方法，该集流体以金属钛网为基底，将钛网依次置于稀HF溶液、无水乙醇、去离子水中超声清洗，烘干后在管式气氛炉中，在流量为500‑2500mL/min的NH₃气氛中于700‑1200℃氮化处理1‑10小时，在其上沉积一层厚度为20‑100μm的TiN膜层，制得的集流体具有较大的比表面积，可以显著提高活性材料与集流体的接触面积，TiN具有较好的电导性及抗腐蚀性，可加强集流体的导流能力以及集流体的稳定性，使得该集流体可在钠硫电池中长期使用。

技术领域

本发明涉及一种钠硫电池正极集流体及其制备方法，尤其涉及一种钠硫电池TiN集流体及其制备方法，属于钠硫电池集流体领域。

背景技术

钠硫电池具有能量密度高、功率密度高、自放电率低等一系列特点，属于目前最具应用前景的储能电池之一。集流体是钠硫电池的核心部件，在电池中起到导电及支撑电池的作用，其结构设计对活性物质的利用率以及电池的使用寿命至关重要。要提高电池的比能量，有效手段是减小电池的重量，增大活性材料与集流体的接触面积，加强集流体的导流能力，改善电流在极板内的分布；同时电池运行过程中正极熔融态的硫及多硫化钠具有强的腐蚀性能，若集流体耐蚀性能较差，电池性能会很快衰减，因此，电池集流体需具有良好的导电性、机械性能以及强的耐蚀性能。

现有的钠硫电池正极集流体主要有两种材料，一种是具有较好耐蚀性的不锈钢；另一种是采用表面具有耐蚀性涂层的铝合金材料。如采用不锈钢作为外壳材料，不锈钢的电阻率较高，大电流通过钠硫电池时，钠硫电池自上而下的电流密度分布极不均匀，不仅造成钠硫电池的内阻增加，而且影响钠硫电池的循环寿命。已具有钠硫电池规模化应用的日本NGK公司采用铝合金作为电池集流体，铝合金表面进行涂层处理，但该表面涂层处理价格昂贵，不利于规模化生产。

为了提高集流体的性能，Koyama等在镍基合金上沉积Cr的碳化物层，提高了耐蚀性能，但高Cr合金在电池中的少量产物对电池容量和电阻的影响很大，会引起电池性能退化。目前也有用金属铝化涂层作为钠硫电池集流体的专利，在熔融多硫化钠中长时间使用虽然铝化层表面没有被腐蚀的痕迹，但其表面生成了Al₂S₃膜，不可避免的引起电池电阻的增加。

金属陶瓷材料如TiC、TiN等材料具有优异的导电性能，而且在酸性环境中具有优异的化学稳定性，长期以来作为抗腐蚀、耐磨材料受到人们的关注，但很少有人将其应用到钠硫电池集流体中。目前制备的TiN涂层的方法有很多，多采用物理气相沉积，多弧离子镀等，但这些方法制备的TiN涂层具有较高的缺陷，这些缺陷不利于耐蚀性的提高。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种具有良好电化学性能的钠硫电池TiN正极集流体及其制备方法。

本发明的一个目的是提供一种钠硫电池TiN正极集流体，以金属钛网为基底，其上沉积一层TiN层，所述TiN层厚度为20-100μm，采用氨气直接氮化钛网制备，不含有粘结剂。

本发明一个较佳实施例中，TiN层厚度为50-80μm，为面心立方晶体，晶粒尺寸为80-200nm。

本发明的另一个目的是提供一种钠硫电池TiN正极集流体制备方法，包括如下步骤：

1)将钛网依次置于稀HF溶液、无水乙醇、去离子水中超声清洗10-20min，干燥；充分清除表面污渍、氧化物，HF稀溶液处理可以对钛网表面进行活化，有利于钛网在氨气气氛下发生氮化反应；

2)将清洁干净的钛网放在管式气氛炉中，在流量为500-2500mL/min的NH₃气氛中于700-1200℃氮化处理1-10小时，自然冷却至室温，在钛网表面沉积一层TiN层。

步骤1)中HF溶液浓度优选为0.5-5mol/L；步骤2)中以5℃/min升温至700-1200℃，保温1-10小时，优选反应温度1000℃，保温5小时。