專利名稱：一種用于鈉離子電池的兩元化合物Cu₂Se正極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一類用于納離子電池的正極材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于化石燃料等傳統(tǒng)能源的大量使用造成了全球性的環(huán)境問題和氣候變化另一方面化石燃料等不可再生能源的儲量也是有限的。所以開發(fā)新能源就顯得尤其重要，風(fēng)能、太陽能、潮汐能等由于受天氣和資歷位置的影響較大，對其的有效利用就需要將其和化學(xué)電源結(jié)合使用，將其發(fā)出的電能儲存于化學(xué)電源中，在經(jīng)過電網(wǎng)輸送給用戶。大規(guī)模的儲能需要大量的化學(xué)電源，現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟的商品化的電池如鉛酸蓄電池由于使用重金屬鉛會造成很大的環(huán)境污染，對于鋰離子電池，如果大規(guī)模使用，一方面是鋰在地球上的儲量有限，另一方面鋰離子電池的成本很高。而鈉離子電池，主要使用的是鈉，鈉元素在地球上的儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰，并且價格也比鋰便宜。鈉離子電池作為大規(guī)模儲能應(yīng)用的電池將會有很大優(yōu)勢。尋找大容量，高能量密度的鈉離子正極材料顯得尤為迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一類性能良好的鈉離子電池正極材料及其制備方法。本發(fā)明提出的鋰離子電池正極材料，是一種具有面心立方結(jié)構(gòu)的Cu2Se材料。經(jīng)研究表明，此類材料具有良好的電化學(xué)性能，可作為高性能鈉離子電池的正極材料。目前為止沒有關(guān)于Cu2Se材料用作鈉離子電池正極材料的報道。本發(fā)明提出的作為鈉離子電池正極材料的Cu2Se為薄膜形式，其薄膜材料的厚度為1.8—2.5 μ m，優(yōu)選厚度為2 μ m。本發(fā)明使用一種簡單的后硒化方法制備Cu2Se正極材料，同時不需要進(jìn)一步處理而得到了可以直接使用的無粘結(jié)劑和額外加入導(dǎo)電劑的極片。具體步驟如下:
取一定量的硒置于反應(yīng)釜中，再將銅網(wǎng)放于反應(yīng)釜中，蓋上反應(yīng)釜的蓋子，用機(jī)械泵抽真空，至lX10_3Pa以下；加熱反應(yīng)釜至380—420°C，并在該溫度保持1.5—2.5小時；降溫
至室溫。薄膜厚度可由掃描電鏡測定，硒化后硒的重量根據(jù)電子天平稱量，實(shí)驗前后基片重量作差得到，而硒化銅(Cu2Se)的質(zhì)量按照化學(xué)計量比計算得到。本發(fā)明中，硒化銅(Cu2Se)的晶體結(jié)構(gòu)由X射線衍射儀測定。本發(fā)明中，硒化銅(Cu2Se)薄膜可直接制成鈉離子電池薄膜電極。電化學(xué)性能測試采用由兩電極組成的電池系統(tǒng)，其中，Cu2Se薄膜用作工作電極，高純鈉片用作對電極和參比電極。電解液為IM NaClO4 + EC + DMC (V/V=l/1)。電池裝配在充氬氣的干燥箱內(nèi)進(jìn)行。電池的充放電實(shí)驗在藍(lán)電(Land)電池測試系統(tǒng)上進(jìn)行。本發(fā)明中，由后硒化方法制成的硒化銅(Cu2Se)電極具有良好的充放電性能，第一次充放電反應(yīng)的放電平臺出現(xiàn)在1.93V (相對于Na+/ Na)，之后各次放電過程的平臺也出現(xiàn)在1.93 V。充電平臺為2.02V，在之后的各次充電過程中其平臺也保持在2.02V，硒化銅(Cu2Se)電極的極化很小。進(jìn)行100次循環(huán)之后其容量仍然有113.6mAh/g。在0.1C的條件下容量為251.4mAh/g, 2C條件下仍然有90.8mA/g的容量。上述性能表明，硒化銅(Cu2Se)是一類新型的正極材料，可應(yīng)用于鈉離子電池。


圖1為硒化銅(Cu2Se)電極的充放電曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。取一定量的硒置反應(yīng)釜中，再將銅網(wǎng)放于反應(yīng)釜中，蓋上反應(yīng)釜的蓋子，用機(jī)械泵抽真空，至lX10_3Pa以下，加熱反應(yīng)釜至400攝氏度并保持400°C 2h，降溫至室溫。XRD衍射圖樣表明制備的薄膜為Cu2Se。將制得的電極作為工作電極，以高純鈉片作為對電極組裝成模擬電池。其中電解液為IM NaClO4 + EC + DMC (EC與DMC的體積比為1/1)，電池裝配在充氬氣的干燥箱內(nèi)進(jìn)行。電池的充放電在Land電池測試系統(tǒng)上進(jìn)行。Cu2Se薄膜電極表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能。電池放電平臺在1.9V左右，容量達(dá)到253mAh/g左右(見圖1)。
權(quán)利要求
1.一種鈉離子電池正極材料，其特征在于為一種面心立方的Cu2Se材料。
2.一種如權(quán)利要求1所述的鈉離子電池的正極材料制備方法，其特征在于具體步驟為:取一定量的硒置于反應(yīng)釜中，再將銅網(wǎng)放于反應(yīng)釜中，蓋上反應(yīng)釜的蓋子，用機(jī)械泵抽真空，至lX10_3Pa以下；加熱反應(yīng)釜至380—420°C，并保持1.5—2.5小時；降溫至室溫。
全文摘要
本發(fā)明屬鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于鈉離子電池的正極材料及其制備方法。該材料是將銅網(wǎng)置于硒蒸氣中硒與銅反應(yīng)，在銅網(wǎng)表面生成一層均勻的Cu2Se，剩余的銅用作集流體。該電極用于鈉離子電池中，首次比容量達(dá)253mAh/g，放電平臺為1.93Vvs.Na+/Na，比能量可達(dá)488Wh/kg，電極經(jīng)100次循環(huán)后容量仍有113.6mAh/g。Cu2Se的電化學(xué)穩(wěn)定性好、比容量高、循環(huán)性能好、制備方法簡單，適用于鈉離子電池。
文檔編號H01M4/58GK103199246SQ20131008746
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者岳繼禮, 孫乾, 傅正文 申請人:復(fù)旦大學(xué)