一种高性能全固态钠离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能全固态钠离子电池及其制备方法，方法包括如下步骤：按重量份计，将氮化碳前驱体、氟源均匀混合后进行热处理，得到氟掺杂氮化碳粉末A；然后将粉末A、钠盐、聚合物基体与有机溶剂混合搅拌得到混合溶液B，将混合溶液B进行成膜处理，干燥得到氟掺杂氮化碳‑聚合物复合型固态电解质；将正极片、氟掺杂氮化碳‑聚合物复合型固态电解质与负极材料采用热压方式组装在一起，用电池外壳封装构成全固态钠离子电池。本发明专利技术电池制备方法实现了离子导电性、热稳定性、电化学稳定性和机械性能的统一，复合正极材料的制备工艺和全固态电池的组装工艺明显改善了电极/固态电解质的界面性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能全固态钠离子电池及其制备方法
本专利技术属于全固态钠离子电池
，具体涉及一种高性能全固态钠离子电池及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池因其工作电压高、循环寿命长、环境友好、无记忆效应等优点而在便携式储能器件、电动汽车和发电站大规模电力存储等领域发挥了重要作用。目前，锂离子电池的发展前景比较明朗，各大电池生产商都在不断扩大其产能。但锂资源储量有限且分布不均，在地壳中的含量只有0.0065％，70％的锂分布在南美洲地区。随着锂电池的大规模应用势必会使其面临短缺及价格上涨的问题，限制了其在大型储能系统中的应用。而与锂位于同主族且物理化学性质相似的钠储量丰富且遍布全球，在地壳中的丰度位于第六位，不会受到资源与地域的限制。钠电池由于资源丰富，成本低廉以及与锂电池类似的化学性质成为研究热点，有望广泛应用于对能量密度要求较低、对低成本更加渴望的大规模储能领域。然而，目前大部分报道的钠电池中的电解液都是基于有机溶剂的液态电解液，有机溶剂易燃且易泄漏且闪电常低于30℃，使得液态钠电池存在着潜在的安全问题。而以固态电解质替代液态电解液的全固体钠电池具有稳定性高、不易泄露、可燃性低等优点，显著提升了电池的安全性。然而，固态电解质较低的室温离子电导率、较差的力学性能及固态电解质/电极界面性能制约着全固态钠电池的性能。因此，急需提供一种具有良好循环性能、倍率性能的全固态钠电池及其制备方法。
技术实现思路
为了解决现有技术中固态电解质界面性能不足的问题，本专利技术的目的在于提供一种高性能全固态钠离子电池及其制备方法，本专利技术产品中引入多孔结构氟掺杂氮化碳作为无机填料制得的新型固态电解质实现了离子导电性、热稳定性、电化学稳定性和机械性能的统一，复合正极材料的制备工艺和全固态电池的组装工艺明显改善了电极/固态电解质的界面性能。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术手段：一种高性能全固态钠离子电池的制备方法，包括如下步骤：按重量份计，将20份氮化碳前驱体、1～10份氟源均匀混合后进行热处理，450～600℃并保温2～5小时，得到氟掺杂氮化碳粉末A；然后将0.1～1份粉末A、0.2～0.8份钠盐、2份聚合物基体与有机溶剂混合搅拌得到混合溶液B，将混合溶液B进行成膜处理，干燥得到氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质；将正极活性物质和导电剂研磨混合得到粉末C，然后将粉末C、粘结剂、N-甲基吡咯烷酮搅拌混合得到正极浆料D，将正极浆料D涂布在铝箔上并真空干燥得到正极片；将正极片、氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质与负极材料采用热压方式组装在一起，用电池外壳封装构成全固态钠离子电池。可选地，所述均匀混合为在乙醇水溶液中混合并烘干、研磨或球磨。可选地，所述氮化碳前驱体为三聚氰胺、氰胺、二氰二胺及尿素中的至少一种；所述氟源为氟化钠和氟乙烯中的的至少一种。可选地，所述钠盐为双三氟甲基磺酰亚胺钠、高氯酸钠、双草酸硼酸钠、二氟草酸硼酸钠、三氟甲磺酸钠及双氟磺酰亚胺钠中的至少一种；所述聚合物基体为聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸丙烯酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚环氧丙烷、聚偏氯乙烯、聚磷嗪和聚硅氧烷中的至少一种；所述有机溶剂为二甲基乙酰胺、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。可选地，所述正极活性物质为钴酸钠、锰酸钠、镍酸钠、磷酸铁钠、高镍三元材料NCM523、NCM622、NCM811及NCA中的至少一种；所述导电剂为SuperP、科琴黑、乙炔黑、导电石墨、碳纳米管、气相生长碳纤维和石墨烯中的至少一种。可选地，所述正极活性物质、导电剂与聚合物和钠盐混合形成的粘结剂的比例为(7～8)：1：1。可选地，所述粘结剂是由聚合物和钠盐混合形成的粘结剂，钠盐占聚合物质量百分比的5～40wt％，所述粘结剂的固含为3～10wt％。一种高性能全固态钠离子电池，包括封装在电池外壳内的正极片、固态电解质与负极材料，所述固态电解质为氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质，所述正极片、氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质与负极材料采用热压方式组装。可选地，所述固态电解质的制备过程为：按重量份计，将20份氮化碳前驱体、1～10份氟源混合后进行热处理，450～600℃并保温2～5小时，得到氟掺杂氮化碳粉末A；然后将0.1～1份粉末A、0.2～0.8份钠盐、2份聚合物基体与有机溶剂混合搅拌得到混合溶液B，将混合溶液B进行成膜处理，干燥得到氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质。可选地，所述负极材料为钠片或钠箔，所述电池外壳为扣式电池壳或铝塑膜。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：该制备方法包括固态电解质的制备、复合正极材料的制备、全固态钠离子电池的组装等步骤，固态电解质首次引入多孔结构氟掺杂氮化碳作为无机填料与聚合物基体复合，氟掺杂氮化碳质量轻、成本低、稳定性好、制备工艺简单，其表面富含的阴离子受体可促进钠盐的解离，多孔结构为钠离子提供了潜在的传输通道，使固态电解质兼具了良好的电化学性能、机械性能、耐热性与可加工性；所述复合正极材料由聚合物与钠盐混合形成的粘结剂、正极活性物质和导电剂组成，复合正极材料为正极活性物质提供了紧密的离子接触，促进了电解质在正极颗粒间的良好渗透，显著改善了正极材料的利用率和正极/固态电解质界面性能；所述全固态电池的组装，在电池组装过程中引入热压工艺改善了电极/固态电解质界面的接触性。本专利技术可同步改善固态电解质的电化学性能、机械性能与耐热性，优化了电极/固态电解质界面性能，从而全面提升了全固态钠离子电池的循环性能和倍率性能等性能。本专利技术产品中引入多孔结构氟掺杂氮化碳作为无机填料制得的新型固态电解质实现了离子导电性、热稳定性、电化学稳定性和机械性能的统一，复合正极材料的制备工艺和全固态电池的组装工艺明显改善了电极/固态电解质的界面性能，为制备良好循环性能和倍率性能的全固态钠离子电池提出了一种新的方法。具体实施方式本专利技术的一种高性能全固态钠离子电池的制备方法，包括以下步骤：S1.固态电解质的制备：按重量份计，将20份氮化碳前驱体、1～10份氟源均匀混合后用马弗炉进行热处理，升温2小时至450～600℃并保温2～5小时，得到氟掺杂氮化碳粉末A。然后将0.1～1份粉末A、0.2～0.8份钠盐、2份聚合物基体与有机溶剂按一定顺序混合并在室温下继续搅拌混合6～24小时得到混合溶液B，将混合溶液B进行成膜处理，真空干燥后得到氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质。S2.复合正极材料的制备：将正极活性物质和导电剂按照一定比例研磨混合得到粉末C，然后将粉末C、聚合物和钠盐混合形成的粘结剂、N-甲基吡咯烷酮搅拌混合12小时得到正极浆料D，将正极浆料D涂布在铝箔上并真空干燥得到正极片，采用切片机裁切用于后续使用。S3.全固态钠离子电池的组装：将步骤S2制得的正极片、步骤S1制得的氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能全固态钠离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n按重量份计，将20份氮化碳前驱体、1～10份氟源均匀混合后进行热处理，450～600℃并保温2～5小时，得到氟掺杂氮化碳粉末A；然后将0.1～1份粉末A、0.2～0.8份钠盐、2份聚合物基体与有机溶剂混合搅拌得到混合溶液B，将混合溶液B进行成膜处理，干燥得到氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质；/n将正极活性物质和导电剂研磨混合得到粉末C，然后将粉末C、粘结剂、N-甲基吡咯烷酮搅拌混合得到正极浆料D，将正极浆料D涂布在铝箔上并真空干燥得到正极片；/n将正极片、氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质与负极材料采用热压方式组装在一起，用电池外壳封装构成全固态钠离子电池。/n

【技术特征摘要】
1.一种高性能全固态钠离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按重量份计，将20份氮化碳前驱体、1～10份氟源均匀混合后进行热处理，450～600℃并保温2～5小时，得到氟掺杂氮化碳粉末A；然后将0.1～1份粉末A、0.2～0.8份钠盐、2份聚合物基体与有机溶剂混合搅拌得到混合溶液B，将混合溶液B进行成膜处理，干燥得到氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质；
将正极活性物质和导电剂研磨混合得到粉末C，然后将粉末C、粘结剂、N-甲基吡咯烷酮搅拌混合得到正极浆料D，将正极浆料D涂布在铝箔上并真空干燥得到正极片；
将正极片、氟掺杂氮化碳-聚合物复合型固态电解质与负极材料采用热压方式组装在一起，用电池外壳封装构成全固态钠离子电池。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述均匀混合为在乙醇水溶液中混合并烘干、研磨或球磨。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氮化碳前驱体为三聚氰胺、氰胺、二氰二胺及尿素中的至少一种；
所述氟源为氟化钠和氟乙烯中的的至少一种。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述钠盐为高氯酸钠、双三氟甲烷磺酰亚胺钠、三氟甲烷磺酰亚胺钠、双氟磺酰基亚胺钠中的至少一种；
所述聚合物基体为聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸丙烯酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚环氧丙烷、聚偏氯乙烯、聚磷嗪和聚硅氧烷中的至少一种；
所述有机溶剂为二甲基乙酰胺、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海花，孙立宇，费贵强，马永宁，刘璇，胡光宇，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61