鈉-氟化碳一次電池的制作方法
【專利摘要】鈉-氟化碳一次電池，涉及一種鈉電池。設(shè)有正極、負極、隔膜和電解液，所述正極采用氟化碳作為活性物質(zhì)，所述氟化碳的主體為(CFx)，x=0.2～1.2，所述活性物質(zhì)中，氟化碳含量按質(zhì)量百分比為20％～100％；所述電解液由溶劑、電解質(zhì)和添加劑組成。將商業(yè)氟化碳，包括氟化石墨、氟化石油焦、氟化碳納米管、氟化碳纖維、氟化石墨烯等作為鈉-氟化碳一次電池正極的主體活性物質(zhì)；以鈉金屬為負極；以有機溶液為溶劑的含鈉鹽電解質(zhì)為電解液和隔膜組成原電池體系，以恒電流密度20mA/g進行放電，其質(zhì)量比容量可達到800mAh/g以上。具有放電容量高、放電電位平穩(wěn)，以及對環(huán)境友好等特點。
【專利說明】鈉-氟化碳一次電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈉電池，尤其是涉及一種以氟化碳為正極的鈉-氟化碳一次電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展，能源需求快速增長，能源問題日益受到人們關(guān)注。長期以來，傳統(tǒng)化石能源短缺及溫室氣體排放成為人類社會未來發(fā)展需要解決的最主要問題之一。電化學電源由于其獨得的性能及對環(huán)境友好等特點，成為當今社會解決能源問題的主要途徑之一。因此，研究開發(fā)具有高比能量、高比功率、高安全性的新型電池及關(guān)鍵材料，已成為世界各國發(fā)展的共識。
[0003]鈉金屬作為僅次于鋰的第二輕的金屬元素，其在地球的豐度高達2.3%?2.8%，為鋰金屬的4?5個數(shù)量級，鈉電池具有商業(yè)化和可持續(xù)利用的巨大潛力和優(yōu)勢。鈉電池主要包括以鈉金屬作為負極的鈉-硫電池、鈉-氯化鎳電池和鈉-空氣電池，及以碳材料為負極的鈉離子二次電池。而關(guān)于鈉-氟化碳電池，無相關(guān)研究報道。
[0004]氟化碳材料是碳與氟氣在高溫下直接反應(yīng)生成的一種先進碳層間功能材料，具有表面能與層間能低和電活性高等一系列獨特的物理化學性能。氟化碳被作為優(yōu)良的固體潤滑劑和高性能蓄電池陰極材料使用。其中，作為電池陰極材料主要用在鋰電池正極，與非水系電解質(zhì)組合成電池。形成的鋰氟化碳電池的理論質(zhì)量比能量約2180Wh/kg，是固體正極體系中最高的，已引起電化學學者廣泛關(guān)注和研究。由于氟化碳材料獨特的物理化學性能，作為高科技精細功能材料已經(jīng)在日、美等國形成廣泛研究和工業(yè)生產(chǎn)，對氟化碳材料的開發(fā)和改性研究也逐漸深入。其中，1986年美國專利US4，770, 959公開了鋰-氟化碳電池；美國專利US5，106，606公開了氟化碳素纖維的改性研究；美國專利US7, 794，880B2公開了納米層狀碳材料的氟化制備工藝；中國專利CN102361084A公開采用氟化石墨和氟化碳納米管的混合物作為一種鋰電池正極材料。而關(guān)于氟化碳材料在鈉電池領(lǐng)域的運用，無相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種鈉-氟化碳一次電池。
[0006]本發(fā)明設(shè)有正極、負極、隔膜和電解液，所述正極采用氟化碳作為活性物質(zhì)，所述氟化碳的主體為(CFx)，x=0.2?1.2，所述活性物質(zhì)中，氟化碳含量按質(zhì)量百分比為20%?100% ;所述電解液由溶劑、電解質(zhì)和添加劑組成。
[0007]所述氟化碳材料是由石墨、石油焦、碳納米管、碳纖維或石墨烯經(jīng)氟化后得到的氟化碳材料，或其它方法制備的氟化碳材料。
[0008]所述負極可采用鈉金屬或鈉合金,所述鈉合金可選自Pb、Sn、B1、Ga、Ce、Si中的至少一種元素及Na。
[0009]所述溶劑可采用有機溶劑，所述有機溶劑可選自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、1，2 —二甲氧基乙烷(DME)、四氫呋喃(THF)等中的至少一種。
[0010]所述電解質(zhì)可采用鈉鹽電解質(zhì)，所述鈉鹽電解質(zhì)可選自六氟磷酸鈉(NaPF6)、高氯酸鈉(NaC104)、四氯鋁酸鈉(NaAlCl4)、四氯鐵酸鈉(NaFeCl4)、四氟硼酸鈉(NaBF4)、硝酸鈉(NaN03)、四氯硼酸鈉(NaBCl4)、六氟砷酸鈉(NaAsF6)等中的至少一種，電解質(zhì)的摩爾濃度可為 0.1 ?2mol/L。
[0011]所述添加劑可采用碳酸亞乙烯酯(VC)、碳酸乙烯亞乙酯(VEC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)及其它氟代溶劑等中的至少一種；所述添加劑與有機溶劑的體積百分比可為
0.2%?10%。
[0012]所述隔膜可采用PP隔膜，PE隔膜，或PP/PE/PP復(fù)合膜等。
[0013]本發(fā)明是將商業(yè)氟化碳，包括氟化石墨、氟化石油焦、氟化碳納米管、氟化碳纖維、氟化石墨烯等作為鈉-氟化碳一次電池正極的主體活性物質(zhì)；以鈉金屬為負極；以有機溶液為溶劑的含鈉鹽電解質(zhì)為電解液和隔膜組成原電池體系。
[0014]使用本發(fā)明制備的鈉-氟化碳一次電池，以恒電流密度20mA/g進行放電，其質(zhì)量比容量可以達到800mAh/g以上。本發(fā)明具有放電容量高、放電電位平穩(wěn)，以及對環(huán)境友好等特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明鈉-氟化碳一次電池結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，各標記為:1、正極；2、負極；3、隔膜；4、電解液。
[0016]圖2為本發(fā)明采用氟化碳纖維(F/C=0.75)為正極制備鈉電池的恒電流放電曲線。
[0017]圖3為本發(fā)明采用氟化石墨(F/C=0.75)為正極制備鈉電池的恒電流放電曲線。
[0018]圖4為本發(fā)明采用氟化石墨(F/C=0.95)為正極制備鈉電池的恒電流放電曲線。
[0019]圖5為本發(fā)明采用氟化石墨(F/C=l.05)為正極制備鈉電池的恒電流放電曲線。
[0020]圖6為本發(fā)明采用氟化多壁碳納米管(F/C=0.75)為正極制備鈉電池的恒電流放電曲線。
[0021]在圖2?6中，橫坐標為比容量(Specific capacity/mAh g—1),縱坐標為電位Potential, V (vs.Na+/Na)。
【具體實施方式】
[0022]以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]實施例1
[0024]采用制備2025扣式鈉電池對本發(fā)明鈉-氟化碳一次電池進行電化學性能測試，正極氟化碳電極制備是采用涂漿法。具體步驟是按質(zhì)量比氟化碳正極材料:乙炔黑:粘結(jié)劑=80: 10: 10，將氟化碳、乙炔黑和粘結(jié)劑球磨混勻，涂在處理過的鋁箔上，于120°C烘干，在20MPa下壓制成型。得到鈉電池用正極。
[0025]實施例2
[0026]采用實施例1所制備的氟化碳電極為正極，鈉金屬為負極，PP/PE/PP復(fù)合膜Cellgard2400為隔膜，lmol/L NaClO4的碳酸丙烯酯(PC)溶液為電解液，組裝成2025扣式電池。鈉電池結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。在LAND電池測試系統(tǒng)(武漢市藍電電子有限公司)上進行恒電流電化學性能測試。放電截至電位為1.5V (vs.Na+/Na)0
[0027]實施例3
[0028]以氟化碳纖維(F/C=0.75)為正極活性物質(zhì)，參照實施例1制備鈉電池用正極。參照實施例2進行鈉電池制備和電化學性能測試。測試結(jié)果如圖2所示。
[0029]實施例4
[0030]以氟化石墨(F/C=0.75)為正極活性物質(zhì)，參照實施例1制備鈉電池用正極。參照實施例2進行鈉電池制備和電化學性能測試。測試結(jié)果如圖3所示。
[0031]實施例5
[0032]以氟化石墨(F/C=0.95)為正極活性物質(zhì)，參照實施例1制備鈉電池用正極。參照實施例2進行鈉電池制備和電化學性能測試。測試結(jié)果如圖4所示。
[0033]實施例6
[0034]以氟化石墨(F/C=l.05)為正極活性物質(zhì)，參照實施例1制備鈉電池用正極。參照實施例2進行鈉電池制備和電化學性能測試。測試結(jié)果如圖5所示。
[0035]實施例7
[0036]以氟化多壁碳納米管(F/C=0.75)為正極活性物質(zhì)，參照實施例1制備鈉電池用正極。參照實施例2進行鈉電池制備和電化學性能測試。測試結(jié)果如圖6所示。
[0037]實施例8
[0038]以氟化碳纖維(F/C=0.75)為正極活性物質(zhì)，參照實施例1制備鈉電池用正極。以上述制備的電極為正極，鈉金屬為負極，PP/PE/PP復(fù)合膜Ce 11 gar d2400為隔膜，Imo I /LNaClO4的PC+FEC (98: 2v/v)溶液為電解液，組裝成2025扣式鈉電池。參照實施例2進行電化學性能測試。
【權(quán)利要求】
1.鈉-氟化碳一次電池，其特征在于設(shè)有正極、負極、隔膜和電解液，所述正極采用氟化碳作為活性物質(zhì)，所述氟化碳的主體為CFX，x=0.2?1.2，所述活性物質(zhì)中，氟化碳含量按質(zhì)量百分比為20%?100% ;所述電解液由溶劑、電解質(zhì)和添加劑組成。
2.如權(quán)利要求1所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述氟化碳材料是由石墨、石油焦、碳納米管、碳纖維或石墨烯經(jīng)氟化后得到的氟化碳材料，或其它方法制備的氟化碳材料。
3.如權(quán)利要求1所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述負極采用鈉金屬或鈉合金。
4.如權(quán)利要求3所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述鈉合金選自Pb、Sn、B1、Ga、Ce、Si中的至少一種元素及Na。
5.如權(quán)利要求1所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述溶劑采用有機溶劑。
6.如權(quán)利要求5所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述有機溶劑選自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、1，2 —二甲氧基乙烷、四氫呋喃中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述電解質(zhì)采用鈉鹽電解質(zhì)。
8.如權(quán)利要求7所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述鈉鹽電解質(zhì)選自六氟磷酸鈉、高氯酸鈉、四氯鋁酸鈉、四氯鐵酸鈉、四氟硼酸鈉、硝酸鈉、四氯硼酸鈉、六氟砷酸鈉中的至少一種，電解質(zhì)的摩爾濃度為0.1?2mol/L。
9.如權(quán)利要求1所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述添加劑采用碳酸亞乙烯酯、碳酸乙烯亞乙酯、氟代碳酸乙烯酯及其它氟代溶劑中的至少一種；所述添加劑與有機溶劑的體積百分比可為0.2%?10%。
10.如權(quán)利要求1所述鈉-氟化碳一次電池，其特征在于所述隔膜采用PP隔膜，PE隔膜，或PP/PE/PP復(fù)合膜。
【文檔編號】H01M4/58GK103700858SQ201410006534
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】楊勇, 岳紅軍, 張清順, 常海濤, 甘健龍, 邵元駿 申請人:廈門大學, 福建南平南孚電池有限公司