[发明专利]无枝晶化的钠钾离子电池的半液态负极及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及无枝晶化的钠钾离子电池的半液态负极及其制备方法与应用，属于钠钾离子电池领域，基体为固态金属钠/钾，上面附加一层液态钠钾合金的半液态负极，用作钠/钾离子电池负极，仅仅一薄层液态合金就可以抑制枝晶。固态金属部分可以为反应和液态合金提供钠/钾源，使合金中的钠/钾成分充足，电极的稳定性和导电性就可以大大提高。固体部分可以支撑液态合金，节约了空间和质量。这种负极简化了制备过程，也提高了安全性。液态合金和固态金属之间有很强的结合力，使液态合金能够牢固地附着于固态金属表面，比液态负极的稳定性更优。这让半液态在所有测试的电解液中都保持稳定。有半液态负极的电池具有长寿命、良好的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明属于钠钾离子电池领域，尤其涉及一种无枝晶化的钠钾离子电池的半液态负极。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

碱金属电池有较低的氧化还原电位和高比容量，是科研人员长期研究的热点。但是在长期循环过程中，碱金属电极表面会出现难以控制的枝晶生长问题，带来性能恶化和安全隐患。人们尝试了各种方法来抑制枝晶生长，但是由于固液表面的性质，枝晶生长很难被完全抑制。幸运的是，液态电极表面不会出现枝晶生长问题，而且液态电极具有极其快速的电荷转移动力学和输运能力，使其电化学性质优良。

一种室温下呈液态的钠钾合金负极可以通过简单的钠和钾金属之间的物理接触来制备，因为根据二元合金相图，钠钾合金在钠质量比在9.2-58.2％的区间里在室温下会呈液态。同时，科研人员发现钠钾合金与烃液和多孔隔膜都不互溶，这使得它可以在多数电池体系中稳定存在，建立起电极-电解液的液液界面，并不会造成短路。而且，与金属锂相比，钠钾的价格低，储量充足，其离子的电导率和迁移数要更高，活化能更低，这使得液态钠钾合金可以作为电池体系中有潜力的高能长寿命负极使用。

虽然如此，与固态电极相比，液态钠钾合金的内在性质相对不稳定。合金形成是一种吸热过程，所以合金的能量较高。不同于固态金属离子在液态中的环境很不一样，受到很强的扰动和赝势变化的影响。而且在钠钾合金中，钠钾离子并非均匀分布，而是呈现偏聚状态。而钠、钾含量差异的减小会使这种情况更加严重。而且，在这种情况下，合金的电阻也变到最大。也就是说，当液态钠钾合金中的钠和钾一样多的时候，合金的不稳定性和电阻变得最大。这一情况可以通过向液态中加入更多的钠或钾来实现。另外，由于液态的流动性和不稳定性，需要有一个框架结构来支撑它。过去的研究表明，需要将液态合金加热到一定的温度(420℃)、抽真空或者其它特殊的反应或支撑材料才能够将液态金属吸附到泡沫铜等支撑骨架材料中去。这些方法比较繁琐，有些还会带来安全隐患。而且，支撑骨架材料很占空间和电池的质量。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种半液态负极：将少量金属钠涂抹在金属钾快表面，或者将少量金属钾涂抹在金属钠表面，形成一种由固态金属基底和表面的液态组成的半液态负极结构，如图1所示。这种负极可以结合固态负极和液态负极的优点，固液之间的结合力较强。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供了一种无枝晶化的钠钾离子电池的半液态负极，包括：金属钠或金属钾表面附着一层液态钠钾合金作为钠离子电池或钾离子电池的负极。

固态金属基底；金属钠或金属钾

附着在所述固态金属基底表面的液态金属层；液态钠钾合金

固态金属、液态金属为钠或钾，二者的金属元素不同。