[发明专利]一种基于金属铋负极的宽温钠离子电池

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体为一种基于金属铋负极的宽温钠离子电池。本发明钠离子电池由正极、负极、电解液组成；正极材料为层状钠氧化物、磷酸盐类化合物、普鲁士兰化合物以及活性炭中的一种或几种混合物；负极为金属铋；电解液含醚类溶剂，以有机钠盐和/或无机钠盐作为溶质，具有高沸点、低凝固点的特点，在较宽的温度范围(‑70^oC~160℃)内表现出良好的离子电导。与传统锂离子、钠离子电池不同，本发明所提出的钠离子电池能够在‑70^oC~160℃的温度范围内稳定工作，并表现出良好的循环性能、功率特性和倍率性能，可以被用作高寒、高温、环境温度变化较大区域的储能装置。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种具有宽工作温度范围的钠离子电池。

背景技术

近年来，锂离子电池飞速发展，已经在各行各业得到广泛应用。但人们日益増长的需求和锂资源的储量贫瘠直接制约着锂离子电池发展，尤其是大规模储能，例如新能源汽车和智能电网的发展，对二次电池的发展提出了新的要求。钠原子与锂原子具有相似的原子结构和化学性质，而且全球钠元素的储量极其丰富，钠离子电池还具有较高的比能量和低生产成本。因此随着锂离子电池受锂资源和生产成本的影响限制其广泛应用，具有相似电化学性质的钠离子电池成为研究者关注的焦点。目前，一些钠离子电池电极材料的性能已经得到了显著提升，很有可能将部分取代当前商业化的锂离子电池。

众所周知，钠离子电池通常虽然能在-30℃到55℃的温度区间正常工作，但这无法满足其在超低温、超高温，或变温范围大的区域的使用。当温度接近或达到了电解液的冰点，此时电解液表现出极低的离子电导和超高的粘度(或已经凝固)，因此大大增大了电极反应的界面电阻。另一方面，在高温条件下，电解质容易氧化分解，导致其电极表面SEI膜的阻抗增加，甚至破坏电极本体材料的内部结构，造成爆炸的危险。

如上所述，开发具有高沸点、低凝固点、在宽温度范围内有较高的离子电导率的电解液是提高钠离子电池高低温性能重要手段。但是，极少数的电解液可以同时满足高沸点和低熔点的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有宽工作温度范围的低成本、长循环寿命、高能量密度、高低温性能与倍率性能优异的钠离子电池。

本发明提供的钠离子电池，是基于金属铋负极材料的，具体包括正极、负极、电解液；其中，所述负极活性物质为金属铋，所述正极材料活性物质为层状钠氧化物、磷酸盐类化合物、普鲁士兰化合物与活性炭中的一种或几种的混合物；所述电解液含醚类溶剂的宽温度范围(-70℃～160℃)的电解液，以有机钠盐和/或无机钠盐为溶质，在-70℃～160℃内表现出高的离子电导。其工作原理主要是在充放电过程中，Na⁺在正负电极之间往返嵌入和脱出：充电时，Na⁺从正极脱出，经过电解质嵌入负极，负极处于富钠状态；放电时则相反。

本发明中，所述醚类溶剂，选自二乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、甲基九氟正丁基醚、八氟戊基-四氟乙基醚中的一种，或其中几种的混合；混合溶剂的作用主要是调节电解液在高温或低温下的粘稠度、相应的离子电导和高电压下抗氧化能力。

本发明中，所述溶质选自有机钠盐及无机钠盐，包括但不限于六氟磷酸钠、双(三氟甲基磺酰亚胺)钠、三氟甲基磺酸钠、四氯硼酸钠、高氯酸钠、四氟硼酸钠、硝酸钠、六氟锑酸钠、苯甲酸钠、对甲苯磺酸钠、双氟磺酰亚胺钠、四氯铝酸钠、四氯铁酸钠、四苯硼钠中的一种或几种。

本发明中，所含钠离子的浓度范围为0.01～10mol/L。优选1～10mol/L。

本发明中，所述电解液，还含有硼酸酯类、亚硫酸酯类、磺酸内酯类、氟代乙烯酯、聚氧乙醚中的一种或几种，作为成膜添加剂。添加剂的作用主要是有利于形成均匀的SEI膜，从而减少界面阻抗。