[发明专利]一种氧化石墨烯改性聚合物凝胶电解质及钠金属电池

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯改性聚合物凝胶电解质及钠金属电池，所述氧化石墨烯改性聚合物凝胶电解质是通过如下重量份的各成分制成：聚偏氟乙烯‑六氟丙烯50‑60份、氧化石墨烯1‑5份、钠盐5‑10份、非水溶剂20‑40份、添加剂0.5‑5份、无水乙醇3‑6份。本发明还公开了应用上述氧化石墨烯改性聚合物凝胶电解质的钠金属电池。本发明公开的凝胶电解质既具有较高的离子电导率又具有优异的力学性能，通过引入氧化石墨烯可以达到提升离子电导率和提高膜的机械性能，在钠金属全电池中钠均匀沉积，和电极相容性良好，实现高可逆容量，高库伦效率。

技术领域

本发明属于凝胶电解质技术领域，涉及一种钠金属电池元件，更具体地说，涉及一种氧化石墨烯改性聚合物凝胶电解质及应用该电解质的钠金属电池。

背景技术

钠金属负极具有较高的比容量(1166mA h g^-1)，是高能量密度电池(例如：Na-O₂，Na-S电池)的重要部件之一。但是，将金属钠用在电池中充当负极还存在很多安全问题，尤其是电解质这方面。电解质是电池的重要组成部分，它主要分为液体电解质、固体电解质和凝胶电解质。虽然液体电解质具有较高的离子导电性，但在充放电过程中，由于钠枝晶沉积不均匀，枝晶的进一步生长可能刺穿隔膜，最终导致短路引发火灾等危险，而且液态电解质还存在液体泄漏问题。固体电解质具有良好的机械性能能抑制枝晶，可以防止液体泄漏，但其离子导电性特别低，界面阻抗大，严重影响电池的性能。

凝胶聚合物电解质是介于全固态电解质和液态电解质之间的一种电解质类型，它具有全固态聚合物电解质的安全性、类似于液态电解质的离子导电性，以及与电极材料反应性低的优点。传统的凝胶聚合物电解质是通过聚合物基体浸泡电解液，电解质分子被固定在聚合物基体的网络体系中用于离子传导的。但是要运用到钠金属电池中，凝胶聚合物电解质必须具备良好的机械性能，能抑制枝晶的生长，还需要具备优异的室温离子电导率和较宽的电化学窗口防止和正极材料发生界面副反应，传统的凝胶聚合物电解质无法满足这些要求。现有技术通常通过在传统凝胶聚合物电解质中引入无机纳米颗粒(例如：SiO₂，ZrO₂,Al₂O₃，TiO₂)来提升凝胶电解质的机械性能。引入无机纳米颗粒虽然可以提升聚合物的机械性能，但是这些非锂导电纳米颗粒的团聚可能会阻碍离子传输路径，从而表现出不令人满意的离子导电性。

因此，寻求一种同时具备良好的机械性能，能抑制枝晶的生长，还需要具备优异的室温离子电导率和较宽的电化学窗口的凝胶聚合物电解质是业内亟待解决的问题。

发明内容

为克服现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种氧化石墨烯改性聚合物凝胶电解质及应用该电解质的钠金属电池，这种凝胶电解质是通过在PVDF-HFP基体中引入不同质量百分数的氧化石墨烯共混后再通过溶液浇筑法获得的。制备得到的凝胶电解质电化学窗口宽，机械强度强，离子电导率高。应用该电解质的钠金属电池具有优异的电化学性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种氧化石墨烯改性聚合物凝胶电解质，它包括以下重量份数的原料组分：聚偏氟乙烯-六氟丙烯50-60份、氧化石墨烯1-5份、钠盐5-10份、非水溶剂20-40份、添加剂0.5-5份和无水乙醇3-6份。

进一步地，所述钠盐为选自六氟磷酸钠、硼氢化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钠、氟化钠、硫酸钠、磷酸钠、硝酸钠、二氟草酸硼酸钠、焦磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、柠檬酸钠、偏硼酸钠、硼酸钠、钼酸钠、钨酸钠、溴化钠、亚硝酸钠、碘酸钠、碘化钠、硅酸钠、木质素磺酸钠、草酸钠、铝酸钠、甲基磺酸钠、醋酸钠、重铬酸钠、六氟砷酸钠、四氟硼酸钠、高氯酸钠或三氟甲烷磺酰亚胺钠中的一种或几种。

进一步地，所述添加剂为甘油、柠檬酸钠、聚苯乙烯磺酸钠、亚氨基琥珀酸钠、聚乙二醇中的至少一种。