[发明专利]一种水系钠离子电池

说明书

本发明提供了一种水系钠离子电池，属于钠离子电池技术领域。本发明提供的水系钠离子电池包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为NaClO₄、水和乙腈的混合物；所述正极用正极活性材料包括钾离子掺杂磷酸钒钠颗粒和依次包覆在所述钾离子掺杂磷酸钒钠颗粒表面的碳层和碳氮层。本发明提供的水系钠离子电池具有1.2V的放电电压，且放电比容量较高，所述正极活性材料在电流密度为1A/g的条件下，在三电极体系中恒流充放电100次循环测试实验中，首次放电比容量达97.8mAh g^‑1。

技术领域

本发明涉及钠离子电池技术领域，尤其涉及一种水系钠离子电池。

背景技术

大规模储电是新能源技术发展的关键问题之一，无论是可再生新能源（如光电或风电）的利用，还是电动车辆的广泛使用，均需要大规模储电作为技术支持。在现有的大规模储电方式中，二次电池技术受到广泛的关注。

传统的铅酸电池及镉镍电池含有大量有害的重金属元素，大规模应用会污染环境，锂离子电池标准电势低且比容量较高，被广泛应用，但是锂价格高，且其资源储量少。与锂相比，钠的储量是很可观的，且价格比锂便宜的多。从安全和环保等方面考虑，水系钠离子电池作为储能应用引起研究者们的广泛关注。钠离子水溶液电解质体系具有以下优点：（1）水溶液不易燃，安全性较好；（2）钠离子水合半径（0.358nm）小于锂离子水合半径（0.382nm），移动速率更快；（3）水溶液离子电导率较高，比有机电解液高1~2个数量级，能实现低内阻和高能量密度；（4）制备条件要求较低；（5）电解液价格便宜，成本低。因此，水系钠离子电池被认为是最有潜力的大规模储能系统电池之一。

但是在水系电解液中，钠离子电池的反应热力学性质受到水分解反应的严重影响，水分解反应会引起负极析氢和正极析氧的副反应问题，导致水系钠离子电池的工作电压较低。另外，许多钠盐化合物在水中的溶解度很大，或遇水容易分解，导致水系钠离子电池的电化学稳定性较差，进一步限制了储能材料的选择范围。因此，目前亟需制备一种高工作电压、循环稳定性好的水系钠离子电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水系钠离子电池，本发明提供的水系钠离子电池具有1.2V的放电电压，且放电比容量较高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种水系钠离子电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为NaClO₄、水和乙腈的混合物；

所述正极用正极活性材料包括钾离子掺杂磷酸钒钠颗粒和依次包覆在所述钾离子掺杂磷酸钒钠颗粒表面的碳层和碳氮层。

优选地，所述电解液中NaClO₄、水和乙腈的摩尔比为1：2~3.3：2.4~3.3。

优选地，所述正极活性材料中钾离子掺杂磷酸钒钠颗粒的粒径为200~300nm，所述碳层和碳氮层的总厚度为4~6nm。

优选地，所述正极活性材料的制备方法，包括以下步骤：

将水、柠檬酸、NH₄VO₃、NH₄H₂PO₄、NaOH、KOH和N,N-二甲基酰胺混合，去除所得混合物料中的溶剂后，在保护气氛中进行第一碳化处理，得到碳层包覆的钾离子掺杂磷酸钒钠颗粒；

将所述碳层包覆的钾离子掺杂磷酸钒钠颗粒与三羟甲基甲烷缓冲液混合，调节所得混合物料的pH值为8~9，之后与多巴胺混合进行改性处理，将所得体系进行固液分离，在保护气氛中将所得固体物料进行第二碳化处理，在所述碳层的表面形成碳氮层，得到正极活性材料。

优选地，所述NaOH、KOH和柠檬酸的摩尔比为2.80~2.95：0.05~0.15：1；