本发明专利技术涉及钠离子电池领域，公开了全氟钠聚合物电解质及其制备方法和应用和全固态钠离子电池及摩擦纳米发电机系统，制备全氟钠聚合物电解质的方法包括：将全氟磺酸树脂与含有Na+的溶液进行离子交换。本发明专利技术提供的全固态钠离子电池中含有前述全氟钠聚合物电解质，并且，相对于使用液体电解质的电池，本发明专利技术的全固态钠离子电池具有优异的安全性和更高的能量密度。
Perfluorinated sodium polymer electrolyte and its preparation and Application
The invention relates to the field of sodium ion batteries, discloses a perfluorinated sodium polymer electrolyte, a preparation method and application thereof, and an all-solid-state sodium ion batteries and a friction nano-generator system. The method for preparing a perfluorinated sodium polymer electrolyte includes: exchanging a perfluorinated sulfonic acid resin with a solution containing Na +. The all-solid-state sodium ion battery provided by the invention contains the aforementioned perfluorosodium polymer electrolyte, and the all-solid-state sodium ion battery of the invention has excellent safety and higher energy density compared with the battery using the liquid electrolyte.
【技术实现步骤摘要】
全氟钠聚合物电解质及其制备方法和应用和全固态钠离子电池及摩擦纳米发电机系统
本专利技术涉及钠离子电池领域，具体涉及一种制备全氟钠聚合物电解质的方法以及由该方法制备得到的全氟钠聚合物电解质及其应用、一种全固态钠离子电池和一种摩擦纳米发电机系统。
技术介绍
随着大量化石能源的消耗以及对环境造成的污染日趋严重化，非常需要开发新能源技术来代替传统化石能源。近年来，机械能捕获的各种原理和原型器件也被陆续报道，包括静电和摩擦效应，电磁效应和压电效应。特别地，王中林教授等研发了基于摩擦效应和静电感应耦合机理的摩擦纳米发电机(TENGs)。TENGs可以用于捕获各种机械能，例如，风能、雨滴能和空气流能。但是，TENGs捕获的能量不能够提供稳定的电能输出，这是由于机械能的随机性和TENGs的脉冲交流电输出特性。因此，非常需要高效、稳定的储能器件来储存摩擦纳米发电机捕获的电能。大规模的电能储存要求电池系统不仅具有足够高的储存容量，也要求该系统是成本有效和环境友好的。近年来，与锂离子电池相比，由于钠丰富的自然资源和低的成本，作为电能储存应用，钠离子电池引起了人们广泛的关注。但是，钠离子电池在安全性、寿命和功率密度方面仍然存在巨大的挑战，限制了传统钠离子电池(SIBs)的商业化。因此，近年来全世界都在竞相开展全固态钠离子电池的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是解决全固态钠离子电池的液体电解质存在的易燃导致的安全性不高的问题，提供一种高安全性、且能够改善电池循环寿命和提高能量密度的固态的全氟钠聚合物电解质，以及含有该固态的全氟钠聚合物电解质的全固态钠离子电池。本专利技术的目的之二是解决现有的摩擦纳米发电机捕获的能量不能够提供稳定的电能输出的问题，提供含有固态的全氟钠聚合物电解质的储能器件来储存摩擦纳米发电机捕获的电能，并实现高效且稳定的电能输出。为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种制备全氟钠聚合物电解质的方法，包括：将全氟磺酸树脂与含有Na+的溶液进行离子交换。第二方面，本专利技术提供由前述第一方面所述的方法制备得到的全氟钠聚合物电解质。第三方面，本专利技术提供前述第二方面所述的全氟钠聚合物电解质作为全固态钠离子电池的电解质的应用。第四方面，本专利技术提供一种全固态钠离子电池，包括：固体电解质，该固体电解质为Na3P1-mAsmS4(0≤m≤0.5)、Na2O-11Al2O3、Na3Zr2Si2PO12、Na3PSe4、94Na3PS4-6Na4SiS4、Na3SbS4、50Na2S-50P2S5、60Na2S-40GeS2、50Na2S-50SiS2和全氟钠聚合物电解质中的至少一种；以及负极。第五方面，本专利技术提供一种摩擦纳米发电机系统，包括前述第四方面所述的全固态钠离子电池和摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机产生的电能存储在所述全固态钠离子电池中。本专利技术提供的全固态钠离子电池相对于使用液体电解质的电池具有优异的安全性和更高的能量密度。本专利技术提供的全固态钠离子电池还具有使用寿命长的优点，能够应用于便携式电子器件，也能够用作电动车电源或用于固定式储能系统中，有广阔的市场前景。本专利技术提供的全固态钠离子电池能够降低对封装的要求。本专利技术提供的摩擦纳米发电机系统能够存储电能，并能实现高效且稳定的电能输出。本专利技术提供的摩擦纳米发电机系统还具有成本低以及环境友好的优点。附图说明图1PFSA-Na-1膜的测试结果，其中，(a)为实施例1制备得到的PFSA-Na-1膜的折叠状态；(b)为其恢复状态；(c)为实施例1制备得到的PFSA-Na-1膜的典型应力-应变关系曲线；(d)为在EC-PC混合溶剂中溶胀的PFSA-Na-1膜的阿累尼乌斯曲线。图2为制备例3的对称Na|PFSA-Na|Na电池的测试结果，其中，(a)为制备例3的对称Na|PFSA-Na|Na电池在施加一个5毫伏直流电压后电流随时间变化的曲线图；(b)为制备例3的对称Na|PFSA-Na|Na电池电镀钠/剥离钠实验示意图；(c)为在0.2mA/cm2电流密度下，制备例3的对称Na|PFSA-Na|Na电池电镀钠/剥离钠实验过程中电压随时间的变化曲线。图3为制备例3的全固态电池的测试结果，其中，(a)为不同电流密度下，制备例3的全固态电池的充放电曲线；(b)为制备例3的全固态电池的倍率性能曲线；(c)为在5mA/g的电流密度下，制备例3的全固态电池的长期循环性能，容量和库仑效率随循环次数的变化曲线；(d)为在48mA/g的电流密度下，制备例3的全固态电池的长期循环性能，容量和库仑效率随循环次数的变化曲线。图4为制备例5的摩擦纳米发电机系统的测试结果，其中，(a)为采用制备例2的全固态电池储存制备例5的摩擦纳米发电机系统收集的脉冲能量的装置示意图；(b)为制备例5的摩擦纳米发电机系统的局部放大图；(c)为制备例5的摩擦纳米发电机系统的开路电压随时间的变化曲线；(d)为制备例5的摩擦纳米发电机系统的短路电流随时间的变化曲线；(e)为用制备例5的摩擦纳米发电机系统给制备例3的全固态电池充电后电池在不同电流密度下的放电曲线。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。第一方面，本专利技术提供了一种制备全氟钠聚合物电解质的方法，包括：将全氟磺酸树脂(PFSA)与含有Na+的溶液进行离子交换。所述含有Na+的溶液例如可以为氢氧化钠溶液、乙酸钠、氯化钠溶液和硝酸钠溶液等中的一种或两种以上。本专利技术对所述含有Na+的溶液的浓度没有特别的限制。例如，所述含有Na+的溶液以Na+计的摩尔浓度可以为0.1～10mol/L。通过所述离子交换，将PFSA上的质子交换成Na+，得到PFSA-Na，即为全氟钠聚合物。优选地，所述离子交换的条件包括：温度为40～100℃，时间为6～24h。所述第一接触例如可以将PFSA浸入含有Na+的溶液中。优选地，该方法进一步包括：将离子交换后得到的产物依次进行洗涤和干燥。所述洗涤可以采用水(例如去离子水等)进行。优选地，所述干燥的条件包括：保护气体存在下，温度为5～45℃，时间为5分钟至1h。所述保护气体例如可以为氦气、氖气、氩气和氮气中的至少一种。优选地，该方法还包括：在进行所述干燥后，在分子筛存在下，将干燥后的全氟钠聚合物电解质与含有碳酸乙烯酯和聚碳酸酯的混合溶剂进行混合。干燥后的全氟钠聚合物电解质通过所述混合能够实现溶胀，从而明显有利于提供本专利技术的全氟钠聚合物电解质的离子电导率。优选地，所述混合的条件包括：温度为5～45℃，时间为12～72h。本专利技术对所述分子筛的种类没有特别的限制，只要是能够实现吸附水分效果的分子筛即可。例如，所述分子筛可以为活性分子筛。本专利技术对所述分子筛的用量没有特别的限制，本领域技术人员可以根据作用效果并且结合本领域的常规用量进行选择。优选情况下，所述含有碳酸乙烯酯(EC)和聚碳酸酯(PC)的混合溶剂中的EC和PC的体积比为1：(0.6～1.5)。本专利技术对所述混合溶剂的用量没有特别的要求，只要能够使得所述干燥后本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种制备全氟钠聚合物电解质的方法，包括：将全氟磺酸树脂与含有Na+的溶液进行离子交换。
【技术特征摘要】
1.一种制备全氟钠聚合物电解质的方法，包括：将全氟磺酸树脂与含有Na+的溶液进行离子交换。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子交换的条件包括：温度为40～100℃，时间为6～24h。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该方法进一步包括：将离子交换后得到的产物依次进行洗涤和干燥；优选地，所述干燥的条件包括：保护气体存在下，温度为5～45℃，时间为5分钟至1h。4.根据权利要求3所述的方法，其中，该方法还包括：在进行所述干燥后，在分子筛存在下，将干燥后的全氟钠聚合物电解质与含有碳酸乙烯酯和聚碳酸酯的混合溶剂进行混合；优选地，所述混合的条件包括：温度为5～45℃，时间为12～72h。5.由权利要求1-4中任意一项所述的方法制备得到的全氟钠聚合物电解质。6.权利要求5所述的全氟钠聚合物电解质作为全固态钠离子电池的电解质的应用。7.一种全固态钠离子电池，包括：正极，固体电解质，该固体电解质为Na3P1-mAsmS4(0≤m≤0.5)、Na2O-11Al2O3、Na3Zr2Si2PO12、Na3PSe4、94Na3PS4-6Na...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙春文，侯会丹，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11
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