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CN103700858B - 钠-氟化碳一次电池 - Google Patents

钠-氟化碳一次电池 Download PDF

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Abstract

钠-氟化碳一次电池，涉及一种钠电池。设有正极、负极、隔膜和电解液，所述正极采用氟化碳作为活性物质，所述氟化碳的主体为(CFx)，x=0.2～1.2，所述活性物质中，氟化碳含量按质量百分比为20％～100％；所述电解液由溶剂、电解质和添加剂组成。将商业氟化碳，包括氟化石墨、氟化石油焦、氟化碳纳米管、氟化碳纤维、氟化石墨烯等作为钠-氟化碳一次电池正极的主体活性物质；以钠金属为负极；以有机溶液为溶剂的含钠盐电解质为电解液和隔膜组成原电池体系，以恒电流密度20mA/g进行放电，其质量比容量可达到800mAh/g以上。具有放电容量高、放电电位平稳，以及对环境友好等特点。

Description

钠-氟化碳一次电池
技术领域
本发明涉及一种钠电池，尤其是涉及一种以氟化碳为正极的钠-氟化碳一次电池。
背景技术
随着国内经济快速发展，能源需求快速增长，能源问题日益受到人们关注。长期以来，传统化石能源短缺及温室气体排放成为人类社会未来发展需要解决的最主要问题之一。电化学电源由于其独得的性能及对环境友好等特点，成为当今社会解决能源问题的主要途径之一。因此，研究开发具有高比能量、高比功率、高安全性的新型电池及关键材料，已成为世界各国发展的共识。
钠金属作为仅次于锂的第二轻的金属元素，其在地球的丰度高达2.3％～2.8％，为锂金属的4～5个数量级，钠电池具有商业化和可持续利用的巨大潜力和优势。钠电池主要包括以钠金属作为负极的钠-硫电池、钠-氯化镍电池和钠-空气电池，及以碳材料为负极的钠离子二次电池。而关于钠-氟化碳电池，无相关研究报道。
氟化碳材料是碳与氟气在高温下直接反应生成的一种先进碳层间功能材料，具有表面能与层间能低和电活性高等一系列独特的物理化学性能。氟化碳被作为优良的固体润滑剂和高性能蓄电池阴极材料使用。其中，作为电池阴极材料主要用在锂电池正极，与非水系电解质组合成电池。形成的锂氟化碳电池的理论质量比能量约2180Wh/kg，是固体正极体系中最高的，已引起电化学学者广泛关注和研究。由于氟化碳材料独特的物理化学性能，作为高科技精细功能材料已经在日、美等国形成广泛研究和工业生产，对氟化碳材料的开发和改性研究也逐渐深入。其中，1986年美国专利US4,770,959公开了锂-氟化碳电池；美国专利US5,106,606公开了氟化碳素纤维的改性研究；美国专利US7,794,880B2公开了纳米层状碳材料的氟化制备工艺；中国专利CN102361084A公开采用氟化石墨和氟化碳纳米管的混合物作为一种锂电池正极材料。而关于氟化碳材料在钠电池领域的运用，无相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钠-氟化碳一次电池。
本发明设有正极、负极、隔膜和电解液，所述正极采用氟化碳作为活性物质，所述氟化碳的主体为(CFx)，x=0.2～1.2，所述活性物质中，氟化碳含量按质量百分比为20％～100％；所述电解液由溶剂、电解质和添加剂组成。
所述氟化碳材料是由石墨、石油焦、碳纳米管、碳纤维或石墨烯经氟化后得到的氟化碳材料，或其它方法制备的氟化碳材料。
所述负极可采用钠金属或钠合金，所述钠合金可选自Pb、Sn、Bi、Ga、Ce、Si中的至少一种元素及Na。
所述溶剂可采用有机溶剂，所述有机溶剂可选自碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、1,2－二甲氧基乙烷（DME）、四氢呋喃（THF）等中的至少一种。
所述电解质可采用钠盐电解质，所述钠盐电解质可选自六氟磷酸钠（NaPF6）、高氯酸钠（NaClO4）、四氯铝酸钠（NaAlCl4）、四氯铁酸钠（NaFeCl4）、四氟硼酸钠（NaBF4）、硝酸钠（NaNO3）、四氯硼酸钠（NaBCl4）、六氟砷酸钠（NaAsF6）等中的至少一种，电解质的摩尔浓度可为0.1～2mol/L。
所述添加剂可采用碳酸亚乙烯酯（VC）、碳酸乙烯亚乙酯（VEC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）及其它氟代溶剂等中的至少一种；所述添加剂与有机溶剂的体积百分比可为0.2％～10％。
所述隔膜可采用PP隔膜，PE隔膜，或PP/PE/PP复合膜等。
本发明是将商业氟化碳，包括氟化石墨、氟化石油焦、氟化碳纳米管、氟化碳纤维、氟化石墨烯等作为钠-氟化碳一次电池正极的主体活性物质；以钠金属为负极；以有机溶液为溶剂的含钠盐电解质为电解液和隔膜组成原电池体系。
使用本发明制备的钠-氟化碳一次电池，以恒电流密度20mA/g进行放电，其质量比容量可以达到800mAh/g以上。本发明具有放电容量高、放电电位平稳，以及对环境友好等特点。
附图说明
图1为本发明钠-氟化碳一次电池结构示意图。在图1中，各标记为：1、正极；2、负极；3、隔膜；4、电解液。
图2为本发明采用氟化碳纤维（F/C=0.75）为正极制备钠电池的恒电流放电曲线。
图3为本发明采用氟化石墨（F/C=0.75）为正极制备钠电池的恒电流放电曲线。
图4为本发明采用氟化石墨（F/C=0.95）为正极制备钠电池的恒电流放电曲线。
图5为本发明采用氟化石墨（F/C=1.05）为正极制备钠电池的恒电流放电曲线。
图6为本发明采用氟化多壁碳纳米管（F/C=0.75）为正极制备钠电池的恒电流放电曲线。
在图2～6中，横坐标为比容量（Specificcapacity/mAhg-1），纵坐标为电位Potential,V(vs.Na+/Na)。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
采用制备2025扣式钠电池对本发明钠-氟化碳一次电池进行电化学性能测试，正极氟化碳电极制备是采用涂浆法。具体步骤是按质量比氟化碳正极材料∶乙炔黑∶粘结剂＝80∶10∶10，将氟化碳、乙炔黑和粘结剂球磨混匀，涂在处理过的铝箔上，于120℃烘干，在20MPa下压制成型。得到钠电池用正极。
实施例2
采用实施例1所制备的氟化碳电极为正极，钠金属为负极，PP/PE/PP复合膜Cellgard2400为隔膜，1mol/LNaClO4的碳酸丙烯酯（PC）溶液为电解液，组装成2025扣式电池。钠电池结构原理如图1所示。在LAND电池测试系统(武汉市蓝电电子有限公司)上进行恒电流电化学性能测试。放电截至电位为1.5V（vs.Na+/Na）。
实施例3
以氟化碳纤维（F/C=0.75）为正极活性物质，参照实施例1制备钠电池用正极。参照实施例2进行钠电池制备和电化学性能测试。测试结果如图2所示。
实施例4
以氟化石墨（F/C=0.75）为正极活性物质，参照实施例1制备钠电池用正极。参照实施例2进行钠电池制备和电化学性能测试。测试结果如图3所示。
实施例5
以氟化石墨（F/C=0.95）为正极活性物质，参照实施例1制备钠电池用正极。参照实施例2进行钠电池制备和电化学性能测试。测试结果如图4所示。
实施例6
以氟化石墨（F/C=1.05）为正极活性物质，参照实施例1制备钠电池用正极。参照实施例2进行钠电池制备和电化学性能测试。测试结果如图5所示。
实施例7
以氟化多壁碳纳米管（F/C=0.75）为正极活性物质，参照实施例1制备钠电池用正极。参照实施例2进行钠电池制备和电化学性能测试。测试结果如图6所示。
实施例8
以氟化碳纤维（F/C=0.75）为正极活性物质，参照实施例1制备钠电池用正极。以上述制备的电极为正极，钠金属为负极，PP/PE/PP复合膜Cellgard2400为隔膜，1mol/LNaClO4的PC+FEC（98∶2v/v）溶液为电解液，组装成2025扣式钠电池。参照实施例2进行电化学性能测试。

Claims (4)

1.钠-氟化碳一次电池，其特征在于设有正极、负极、隔膜和电解液，所述正极采用氟化碳作为活性物质，所述氟化碳的主体为CFx，x=0.2~1.2，所述活性物质中，氟化碳含量按质量百分比为20％～100％；所述电解液由溶剂、电解质和添加剂组成；
所述电解质采用钠盐电解质；
所述钠盐电解质选自六氟磷酸钠、高氯酸钠、四氯铝酸钠、四氯铁酸钠、四氟硼酸钠、硝酸钠、四氯硼酸钠、六氟砷酸钠中的至少一种，电解质的摩尔浓度为0.1～2mol/L；
所述添加剂采用碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、氟代碳酸乙烯酯中的至少一种；所述添加剂与有机溶剂的体积百分比为0.2％～10％；
所述氟化碳材料是由石墨、石油焦、碳纳米管、碳纤维或石墨烯经氟化后得到的氟化碳材料；
所述负极采用钠金属或钠合金；
所述钠合金选自Pb、Sn、Bi、Ga、Ce、Si中的至少一种元素及Na。
2.如权利要求1所述钠-氟化碳一次电池，其特征在于所述溶剂采用有机溶剂。
3.如权利要求2所述钠-氟化碳一次电池，其特征在于所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、1,2－二甲氧基乙烷、四氢呋喃中的至少一种。
4.如权利要求1所述钠-氟化碳一次电池，其特征在于所述隔膜采用PP隔膜，PE隔膜，或PP/PE/PP复合膜。
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