本發明涉及電化學儲能，具體為一種鈉離子電池及其制備方法和應用。

背景技術：

1、隨著新能源技術的發展，儲能系統在能源轉換和電力調節中的重要性日益凸顯。鈉離子電池作為一種具有資源豐富、成本低廉和環境友好特性的儲能設備，逐漸受到研究者的關注。然而，與鋰離子電池相比，鈉離子電池技術的成熟度尚低，在能量密度、循環壽命以及運行安全性等關鍵性能上存在顯著不足。

2、當前鈉離子電池的正極材料多采用金屬氧化物、金屬硫化物等活性材料。然而，由于鈉離子的離子半徑較大，其在嵌入和脫嵌過程中容易引發材料結構膨脹或坍塌。長時間循環后，正極材料往往出現粉化現象，導致電池容量的快速衰減。此外，傳統的正極材料在電子傳輸能力方面也較弱，限制了電池在高倍率條件下的放電能力。這些問題在鈉離子電池中普遍存在，限制了其性能的提升。

3、與此同時，鈉離子電池的電解液與電極之間的界面反應也對性能產生了重要影響。由于鈉離子的遷移速率較低，在循環過程中界面處容易形成副反應產物，顯著增加阻抗。這種現象在高倍率充放電和長時間循環時尤為明顯，進一步降低了鈉離子的利用效率。此外，電解液的不穩定性還可能導致鈉枝晶的形成，不僅縮短了電池的使用壽命，還顯著增加了安全風險。

4、鈉離子電池的熱穩定性問題同樣亟待解決。在高倍率充放電或高溫環境下，局部熱積累現象較為嚴重，容易導致界面失效、材料劣化甚至熱失控。雖然部分研究嘗試引入導熱材料或優化電解液以緩解熱管理問題，但這些方案往往難以兼顧導電性和穩定性，導致電池整體性能不佳。

5、綜上所述，鈉離子電池在正極材料的結構穩定性、界面化學穩定性、鈉離子遷移效率以及熱管理能力等方面存在明顯短板。

技術實現思路

1、針對現有技術的不足，本發明提供了一種鈉離子電池及其制備方法和應用，解決了鈉離子電池在正極材料導電性、界面穩定性、鈉離子遷移效率及熱管理性能等方面的技術問題。

2、為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：一種鈉離子電池，包括：

3、一種由以下組分組成的正極材料：

4、石墨烯，質量分數為5％-20％；

5、過渡金屬硫化物，質量分數為50％-70％；

6、離子篩功能層材料，質量分數為5％-15％；

7、碳基納米纖維，質量分數為5％-10％；

8、粘結劑，質量分數為3％-5％；

9、鈉金屬負極；

10、電解液，所述電解液為naclo4溶解于ec和dmc溶劑中的溶液，溶劑體積比為1:1，濃度為0.5-1m。

11、優選的，所述過渡金屬硫化物包括鎳硫化物、鈷硫化物、鐵硫化物或釩硫化物中的一種或多種。

12、優選的，所述離子篩功能層材料為金屬有機框架，包括zif-8或其衍生材料。

13、優選的，所述石墨烯為經氧化改性的功能化石墨烯，表面含有羥基和羧基基團。

14、優選的，所述碳基納米纖維為碳納米管，所述碳納米管通過機械混合法與正極材料復合。

15、一種鈉離子電池制備方法，包括以下步驟：

16、石墨烯的修飾與分散：將石墨烯粉末通過超聲分散形成懸浮液，并加入過硫酸鈉和硝酸對其進行功能化處理；

17、過渡金屬硫化物的合成：將功能化石墨烯懸浮液與含有過渡金屬鹽和硫源的前驅體溶液混合，在惰性氣體保護下通過高溫固相反應合成復合材料；

18、離子篩功能層的引入：將過渡金屬硫化物復合材料與mof前驅體混合，通過溶劑熱反應形成離子篩功能層；

19、電極片的制備：將復合材料與碳基納米纖維、粘結劑和導電劑混合成漿料，涂覆在集流體上，干燥后壓片，制成正極片；

20、電池組裝：將正極片、鈉金屬負極與電解液組裝成鈉離子電池

21、優選的，所述功能化石墨烯懸浮液的處理溫度為50℃-80℃，其處理時間為2-3h。

22、優選的，所述高溫固相反應的溫度為300℃-400℃，其時間為4-6h。

23、優選的，所述溶劑熱反應的溫度為150℃-200℃，其時間為6-12h。

24、根據所述的一種鈉離子電池，應用于便攜式電子設備、電動汽車及大規模能源儲能系統。

25、本發明提供了一種鈉離子電池及其制備方法和應用。具備以下有益效果：

26、1.本發明采用石墨烯與過渡金屬硫化物復合并引入離子篩功能層的技術方案。實現了高效鈉離子傳輸和導電網絡優化，相較于現有技術中單一活性材料導致導電性不足的問題，顯著提升了電池的能量密度和倍率性能，解決了傳統正極材料易衰減的不足。

27、2.本發明通過溶劑熱法在復合材料表面構建離子篩功能層，精準篩選鈉離子并抑制副反應，有效降低了電池在多次充放電循環中的容量損耗，與現有技術中未優化界面結構的方案相比，大幅提高了循環穩定性，克服了界面副反應嚴重的技術缺陷。

28、3.本發明在正極中添加碳納米纖維構建多維導熱導電網絡，同時優化材料分布和熱管理能力，實現了高倍率充放電條件下的穩定性，相比現有技術中因熱管理不足導致的安全隱患問題，本發明提升了電池的熱穩定性和安全性能，解決了極端環境下熱失控的難題。

技術特征：

1.一種鈉離子電池，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池，其特征在于，所述過渡金屬硫化物包括鎳硫化物、鈷硫化物、鐵硫化物或釩硫化物中的一種或多種。

3.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池，其特征在于，所述離子篩功能層材料為金屬有機框架，包括zif-8或其衍生材料。

4.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池，其特征在于，所述石墨烯為經氧化改性的功能化石墨烯，表面含有羥基和羧基基團。

5.根據權利要求1所述的一種鈉離子電池及，其特征在于，所述碳基納米纖維為碳納米管，所述碳納米管通過機械混合法與正極材料復合。

6.一種鈉離子電池制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據權利要求6所述的一種鈉離子電池制備方法，其特征在于，所述功能化石墨烯懸浮液的處理溫度為50℃-80℃，其處理時間為2-3h。

8.根據權利要求6所述的一種鈉離子電池制備方法，其特征在于，所述高溫固相反應的溫度為300℃-400℃，其時間為4-6h。

9.根據權利要求6所述的一種鈉離子電池制備方法，所述溶劑熱反應的溫度為150℃-200℃，其時間為6-12h。

10.根據權利要求1-5中任一項權利要求所述的一種鈉離子電池，其特征在于，應用于便攜式電子設備、電動汽車及大規模能源儲能系統。

技術總結
本申請涉及電化學儲能技術領域，公開了一種鈉離子電池，一種由以下組分組成的正極材料：石墨烯，質量分數為5%?20%；過渡金屬硫化物，質量分數為50%?70%；離子篩功能層材料，還公開了一種鈉離子電池制備方法，包括以下步驟：石墨烯的修飾與分散：將石墨烯粉末通過超聲分散形成懸浮液，并加入過硫酸鈉和硝酸對其進行功能化處理；過渡金屬硫化物的合成，其應用于便攜式電子設備、電動汽車及大規模能源儲能系統。本發明通過功能化石墨烯與過渡金屬硫化物復合，結合離子篩功能層和碳納米纖維的多維網絡設計，優化鈉離子傳輸、導電性和熱管理性能，顯著提升能量密度、循環穩定性和安全性。

技術研發人員：李蘊娟,周實
受保護的技術使用者：福建世記華鈉新能源科技集團有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28