负极集流体及其制备方法和无负极钠金属电池与流程

本发明涉及电池材料，具体而言，涉及负极集流体及其制备方法和无负极钠金属电池。

背景技术：

1、由于能源危机和环境危机的持续发酵，开发可持续能源成为当前能源发展的重要趋势。钠离子电池由于原材料资源丰富，成本低廉，成为重要的电化学储能候选方案之一。

2、当前钠离子电池主要采用硬碳作为负极材料，但硬碳本身克容量较低，小于300mah/g，且压实密度上限低，通常小于1.0。而锂离子电池中石墨负极材料可以达成360mah/g的克容量，压实密度可以超过1.6。此外，硬碳材料本身比表较大，表面缺陷多，导致电池首次充放电效率低。受限于硬碳的低容量、低压实和低首效，钠离子电池的能量密度通常低于140wh/kg。

3、因此，需要开发新型负极材料体系，提高钠离子电池的能量密度。其中一种解决方法是直接将铜箔或铝箔作为负极，利用钠离子的电镀沉积和溶解作为负极反应，构建无负极钠金属电池，实现极高的能量密度。然而传统的al箔、cu箔与钠金属的结合能较低，会导致充电过程中钠金属沉积不均匀，电池库仑效率低。此外，钠金属沉积形成的负极在循环过程中，体积会变化，影响电池的安全性和电化学性能，限制了无负极钠金属电池的实际应用。

4、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供负极集流体及其制备方法和无负极钠金属电池，旨在改善背景技术提到的至少一种问题。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供一种负极集流体，包括基材和涂敷在基材表面的功能涂层；

4、按质量百分比计，功能涂层包括大粒径导电材料50%~94.3%、小粒径导电材料5%~45%、纳米铝掺杂氧化锌0.1%~30%、快离子导体0.1%~10%以及粘接剂0.5~5%；

5、大粒径导电材料的d50为1~50μm，小粒径导电材料的粒度为10nm~1μm；

6、功能涂层的厚度为5~200μm；

7、大粒径导电材料选自硬碳、软碳和石墨中至少一种。

8、在可选的实施方式中，快离子导体选自钠锆硅磷氧、磷酸钛钠和磷酸钛铝钠中至少一种。

9、在可选的实施方式中，粘接剂选自聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯和海藻酸钠中至少一种。

10、在可选的实施方式中，基材为铝箔、铜箔、涂炭铝箔或涂炭铜箔。

11、在可选的实施方式中，小粒径导电材料选自碳纳米管、石墨烯和导电炭黑中至少一种。

12、在可选的实施方式中，碳纳米管的长度为10nm~1μm。

13、在可选的实施方式中，石墨烯的粒径为10nm~200nm。

14、在可选的实施方式中，导电炭黑的粒径为10nm~200nm。

15、在可选的实施方式中，纳米铝掺杂氧化锌的粒度为10nm~500nm。

16、在可选的实施方式中，快离子导体的粒度为10nm~500nm。

17、在可选的实施方式中，小粒径导电材料包括导电炭黑、片状石墨烯和链状碳纳米管。

18、第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的负极集流体的制备方法，包括：

19、将含有大粒径导电材料、小粒径导电材料、纳米铝掺杂氧化锌、快离子导体以及粘接剂的浆料涂布至基材上，之后依次进行干燥、辊压获得负极集流体。

20、在可选的实施方式中，再将浆料涂布至基材上之前还包括制备浆料，浆料的制备方法包括：

21、将大粒径导电材料、小粒径导电材料、纳米铝掺杂氧化锌、快离子导体以及粘接剂与溶剂混合均匀获得浆料。

22、在可选的实施方式中，溶剂选自水、n-甲基吡咯烷酮、乙醇、丙酮、n,n—二甲基甲酰胺和乙二醇中至少一种；

23、和/或，所述浆料的固含量为10~60%。

24、第三方面，本发明提供一种无负极钠金属电池，包括如前述实施方式任一项的负极集流体。

25、本发明具有以下有益效果：

26、本发明提供的负极集流体的表面具有功能涂层，该功能涂层通过以大粒径导电材料构建导电骨架，添加小粒径导电材料分布在大颗粒之间的间隙内提高负极表面电流密度均匀性，添加导电性好且亲钠的纳米铝掺杂氧化锌，以补充负极电子导电结构的构建，同时降低钠金属形核过电势，缓解钠枝晶生长，提升电池充放电的库伦效率，添加快离子导体，构建钠离子高速传输通道，避免因钠离子扩散速率不足导致的枝晶生长。因此，本发明提供的负极集流体具有电子传输能力好，离子传输能力好，能够缓解体积膨胀，改善钠枝晶生长，提高电池的循环寿命的作用。

技术特征：

1.一种负极集流体，其特征在于，包括基材和涂敷在所述基材表面的功能涂层；

2.根据权利要求1所述的负极集流体，其特征在于，所述快离子导体选自钠锆硅磷氧、磷酸钛钠和磷酸钛铝钠中至少一种。

3.根据权利要求1所述的负极集流体，其特征在于，所述粘接剂选自聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯和海藻酸钠中至少一种。

4.根据权利要求1所述的负极集流体，其特征在于，包括如下特征（1）~（6）中至少一个：

5.根据权利要求1所述的负极集流体，其特征在于，所述小粒径导电材料选自碳纳米管、石墨烯和导电炭黑中至少一种。

6.根据权利要求5所述的负极集流体，其特征在于，所述小粒径导电材料包括导电炭黑、片状石墨烯和链状碳纳米管。

7.一种如权利要求1~6任一项所述的负极集流体的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，再将所述浆料涂布至所述基材上之前还包括制备所述浆料，所述浆料的制备方法包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自水、n-甲基吡咯烷酮、乙醇、丙酮、n,n—二甲基甲酰胺和乙二醇中至少一种；

10.一种无负极钠金属电池，其特征在于，包括如权利要求1~6任一项所述的负极集流体。

技术总结本发明公开了一种负极集流体及其制备方法和无负极钠金属电池。负极集流体，涉及电池材料技术领域。负极集流体，包括基材和涂敷在所述基材表面的功能涂层；按质量百分比计，所述功能涂层包括大粒径导电材料50%~94.3%、小粒径导电材料5%~45%、纳米铝掺杂氧化锌0.1%~30%、快离子导体0.1%~10%以及粘接剂0.5~5%；所述大粒径导电材料的D50为1~50μm，小粒径导电材料的粒度为10nm~1μm；所述功能涂层的厚度为5~200μm；所述大粒径导电材料选自硬碳、软碳和石墨中至少一种。该集流体具有电子传输能力好，离子传输能力好，能够缓解体积膨胀，改善钠枝晶生长，提高电池的循环寿命的作用。技术研发人员：李享,李建平,张伟清,杨庆亨受保护的技术使用者：江苏中兴派能电池有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29