一种水系钠离子储能电池的制作方法

本发明涉及一种水系钠离子储能电池。

背景技术：

1、大规模储能技术是新能源推广和能源创新的基础，对优化国家能源结构和电网稳定运行具有重要作用。电化学电池由于其转换效率高、组装灵活、不受地域限制等优点，在储能领域得到了广泛的研究，该应用已从示范逐步开始商业化。大规模商业化储能系统需要具备“低成本、长寿命、高安全、易回收”的特点，因此，加快现有产品瓶颈突破，探索新技术显得尤为必要。基于有机电解质的锂离子电池（lib）已广泛应用于移动电子设备和电动汽车，但lib在高温应用中不能保持长循环寿命，并且其热失控风险需要复杂的电池管理系统以确保安全，尤其是大型集成储能系统（mwh级及以上），系统的成本和运行费用高。

2、使用水性电解质的储能电池本质具有较高的安全系数，市面上常见的水系电池有铅酸电池、镍锌电池，水系锌离子电池等，但由于以上电池的反应机理均为正极/负极与电解液发生反应，这种转化型的反应机理，很难实现长寿命的循环。近年来，基于水性电解质（ph为中性）的具有摇椅式离子嵌脱反应机理的储能电池引起了研究人员的广泛关注，主要特点之一是电解液系统为中性，本质安全，环保。

3、水系电池具有成本低、安全系数高、环境友好、易于制造等优点。 然而，这种新兴技术仍然存在一些挑战。 而一种优异电池体系的设计构成涉及到其中多个部件，以及部件之间的相互匹配性。例如：正负极材料的晶体结构是否稳定？在电池循环过程汇总是否有副反应发生？电解液的电化学窗口内是否有析氢析氧的产生？循环过程中集流体的稳定性如何？等等。水系钠离子电池作为本征安全的储能技术，在技术上实现长寿命循环，在制备上实现量产化规模生产，才可以得到大规模的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种水系钠离子储能电池，从研发设计和量产制造的顶层设计出发，选择合适的正负极材料，设计与之匹配的电解液和集流体，通过探索最优的制备工艺，使得本电化学体系达到低成本，长寿命、高安全的特征，并且具有商业化规模生产的前景，可以实现水系钠离子电池的长寿命循环与批量化生产。

2、实现上述目的的技术方案是： 一种水系钠离子储能电池，包括正极、负极、电解液、集流体以及隔膜，其特征在于：

3、所述电解液含有破坏水分子氢键的抑制剂；

4、所述正极、负极是自支撑柔性厚电极，所述负极是由聚阴离子材料和导电剂组成，所述正极是由普鲁士蓝类化合物和导电剂组成；

5、所述集流体包括一种金属及覆盖在其上的有机导电涂层。

6、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述负极容量与正极容量的比例为（1.1-1.2）：1。

7、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述聚阴离子材料选自磷酸钛钠、磷酸钛锰钠和磷酸锆锰钠中的至少一种，所述导电剂选自石墨、碳纳米管、科琴黑、乙炔黑中的至少一种。

8、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述普鲁士蓝类化合物包括通式为axm1c[fecn)6]y·zh2o的普鲁士蓝类化合物，其中a为li、na、k 、ca、mg、zn和al中的一种或几种，m1为fe、co、ni、cu、zn、ti、v、cr、mn中的一种或几种，0≤x≤2，0≤y≤1，0≤c≤1，0≤z≤16，，所述导电剂选自石墨、碳纳米管、科琴黑、乙炔黑中的至少一种。

9、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述正极、所述负极以及所述隔膜吸收所述电解液中na离子可提供的容量大于正常充放电时的容量的50%。

10、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述抑制剂包括聚乙二醇、聚丙烯酸钠、甘油、琼脂、卡拉胶、明胶、乙醇、海藻酸钠、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、环丁砜、磷酸三甲酯、二甲基砜、二乙二醇二甲基醚、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维丙烯酸、马来酸、马来酸酐、甲基丙烯酸n，n-亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯酸丁二酯和邻苯二甲酸二丙烯酯中的一种或多种的混合。

11、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述电解液具有以下的一个或多个特征：

12、所述电解液中抑制剂质量分数为电解液质量的1-90%；

13、所述电解液的粘度小于5.0mpa.s；

14、所述电解液的电导率范围1-100 ms/cm；

15、所述电解液的最大电化学稳定窗口＞3.2v。

16、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述自支撑柔性厚电极包括纤维状粘接剂，使所述柔性电极的拉伸强度2-20mpa或拉伸断裂伸长率5-25%。

17、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述自支撑柔性厚电极具有以下一个或多个特征：

18、负载量0.05-2 g/cm2；

19、厚度0.5-4mm；

20、孔隙率15-60%。

21、上述的水系钠离子储能电池，其中，所述有机导电涂层按照质量分数计算，包括以下成分：30-70wt%树脂、0.5-50wt%碳材料、0.01-10wt%导电氧化物、0.01-10wt%无机改性组分以及30-70wt%溶剂；

22、所述树脂包括改性氟碳树脂、改性酚醛树脂或改性聚醚醚酮中的至少一种；

23、所述碳材料包括导电炭黑、石墨、碳纤维或石墨烯中的至少一种；

24、所述导电氧化物包括in、sn、zn或cd的氧化物或复合多元氧化物中的至少一种；

25、所述无机改性组分包括以锆、镧、硅、钛、铪或钇中的至少一种所制备的无机金属杂化基元；

26、所述溶剂包括去离子水、乙醇、丙酮、酯类、醚类中的至少一种。

27、本发明的水系钠离子储能电池，可以实现水系钠离子电池的长寿命循环与批量化生产。水系钠离子电池作为本征安全的储能技术，在技术上实现长寿命循环，在制备上实现量产化规模生产，才可以得到大规模的应用。本发明从研发设计和量产制造的顶层设计出发，选择合适的正负极材料，设计与之匹配的电解液和集流体，通过探索最优的制备工艺，使得本电化学体系达到低成本，长寿命、高安全的特征，并且具有商业化规模生产的前景。

技术特征：

1.一种水系钠离子储能电池，包括正极、负极、电解液、集流体以及隔膜，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述负极容量与正极容量的比例为（1.1-1.2）:1。

3. 根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述聚阴离子材料选自磷酸钛钠、磷酸钛锰钠 和磷酸锆锰钠中的至少一种，所述导电剂选自石墨、碳纳米管、科琴黑、乙炔黑中的至少一种。

4. 根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述普鲁士蓝类化合物包括通式为axm1c [fe(cn)6]y·zh2o的普鲁士蓝类化合物，其中a为li、na、k 、ca、mg、zn和al中的一种或几种，m1为fe、co、ni、cu、zn、ti、v、cr、mn中的一种或几种，0≤x≤2，0≤y≤1，0≤c≤1，0≤z≤16，所述导电剂选自石墨、碳纳米管、科琴黑、乙炔黑中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述正极、所述负极以及所述隔膜吸收所述电解液中na离子可提供的容量大于正常充放电时的容量的50%。

6.根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述抑制剂包括聚乙二醇、聚丙烯酸钠、甘油、琼脂、卡拉胶、明胶、乙醇、海藻酸钠、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、环丁砜、磷酸三甲酯、二甲基砜、二乙二醇二甲基醚、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维丙烯酸、马来酸、马来酸酐、甲基丙烯酸n，n-亚甲基双丙烯酰胺、双丙烯酸丁二酯和邻苯二甲酸二丙烯酯中的一种或多种的混合。

7.根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述电解液具有以下的一个或多个特征：

8.根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述自支撑柔性厚电极包括纤维状粘接剂，使所述柔性电极的拉伸强度2-20mpa或拉伸断裂伸长率5-25%。

9.根据权利要求8所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述自支撑柔性厚电极具有以下一个或多个特征：

10.根据权利要求1所述的水系钠离子储能电池，其特征在于，所述有机导电涂层按照质量分数计算，包括以下成分：30-70wt%树脂、0.5-50wt%碳材料、0.01-10wt%导电氧化物、0.01-10wt%无机改性组分以及30-70wt%溶剂；

技术总结
本发明公开了一种水系钠离子储能电池，包括正极、负极、电解液、集流体以及隔膜，所述电解液含有破坏水分子氢键的抑制剂；所述正极、负极是自支撑柔性厚电极，所述负极是由聚阴离子材料和导电剂组成，所述正极是由普鲁士蓝类化合物和导电剂组成；所述集流体包括一种金属及覆盖在其上的有机导电涂层。本发明的水系钠离子储能电池，可以实现水系钠离子电池的长寿命循环与批量化生产，本发明从研发设计和量产制造的顶层设计出发，选择合适的正负极材料，设计与之匹配的电解液和集流体，通过探索最优的制备工艺，使得本电化学体系达到低成本，长寿命、高安全的特征，并且具有商业化规模生产的前景。

技术研发人员：侯肖瑞,田剑莉亚
受保护的技术使用者：贲安能源科技（上海）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31