一种新型半固态钠空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种新型半固态钠空气电池及其制备方法，属于电化学技术领域。半固态钠空气电池从负极到正极依次包括联苯钠凝胶负极、固体电解质和离子液体凝胶正极；联苯钠凝胶由联苯钠和碳材料复合制备而得，碳材料为乙炔黑、KB碳（科琴黑）、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、掺氮多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯、鳞片石墨的一种或多种；离子液体凝胶正极由石墨类导电剂、咪唑基离子液体和碳纸制备而得。本发明专利技术的制备方法包括联苯钠凝胶的制备、离子液体凝胶的制备和钠空气电池组装几个具体步骤。本发明专利技术的钠空气电池在空气条件下具有较好的电化学性能，对于钠空气电池的实际应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种新型半固态钠空气电池及其制备方法
本专利技术涉及一种新型半固态钠空气电池及其制备方法，属于电化学

技术介绍
随着社会的快速发展以及全球对化石燃料资源需求的日益增长，造成传统化石能源的短缺以及过度开发对环境的破坏，现已成为制约我国及全球经济可持续发展的重大问题。为促进能源产业优化升级，实现清洁低碳发展，近年来，我国大力发展清洁能源，风电、光伏实现跨越式大发展，新能源装机容量占比日益提高。然而，在清洁能源高速发展的同时，波动性、间歇式新能源的并网给电网从调控运行、安全控制等诸多方面带来了不利影响，极大地限制了清洁能源的有效利用。电池储能是解决新能源发电并网问题的有效途径之一，将随着新能源发电规模的日益增大以及电池储能技术的不断发展，成为支撑我国清洁能源发展战略的重大关键技术。近年来，储能电池是大力发展储能系统的主要技术，而锂离子电池作为市场上较为成熟的电池储能技术，在过去二十年得到飞速的发展，目前广泛应用于移动电子设备和电动交通工具等领域。已经产业化的锂离子电池虽然可以缓解上述问题，但其能量储存能力有限，远远不能满足未来电动车辆和电网储能等领域的需求，因此发展高能量密度的二次电池迫在眉睫。金属空气电池由于理论能量密度高、成本低和环境友好受到广泛关注。而钠空气电池作为一种新型的电池体系，凭借其高的理论比容量、储量丰富的金属钠以及成本低等优点被认为是可以替代内燃机的下一代储能系统。开展与钠空气电池应用相关的研究对解决传统化石能源的短缺以及过度开发对环境的破坏具有重要意义。目前，钠空气电池主要为有机体系、有机/水混合体系和固态钠空气电池。然而，有机体系和有机/水混合系的钠空气电池所用电解液均为液态电解液，在电池的使用过程中极易泄漏导致使用不方便，影响电化学性能以及导致安全问题。此外，有机/水混合体系钠空电池在使用过程中，水系电解液存在着易挥发的问题，使电解液浓度发生变化，影响电池电化学性能。同时使用金属钠作为负极活性较强，安全性较差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术中的不足，提供一种新型半固态钠空气电池，通过将电池负极金属钠和有机电解液一起更换为由联苯钠和碳材料复合而成的联苯钠凝胶，能有效解决联苯钠放电后电导率变差的问题。同时，由于金属钠活性较强，安全性较差，使用联苯钠凝胶作为负极活性适中，安全性较好。此外，将电池正极的液体电解液更换为离子液体凝胶，从根本上解决了液体电解液泄漏的问题以及水系电解液易挥发的问题，并且该电池在空气条件下具有较好的电化学性能，对钠空气电池的实际应用具有重要的意义。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种新型半固态钠空气电池，从负极到正极依次包括联苯钠凝胶负极、固体电解质和离子液体凝胶正极，负极放电时联苯钠凝胶提供电子，固体电解质处于联苯钠凝胶与离子液体凝胶正极之间，固体电解质用于传导Na+和隔离联苯钠凝胶和离子液体凝胶正极。所述联苯钠凝胶由联苯钠和碳材料复合制备而得。所述碳材料为乙炔黑、KB碳（科琴黑）、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯、鳞片石墨的一种或多种。所述联苯钠为浓度1-5mol/L的乙二醇二甲醚。所述离子液体凝胶正极由石墨类导电剂、咪唑基离子液体和碳纸制备而得。所述石墨类导电剂为乙炔黑、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯、炭黑、鳞片石墨的一种或多种的任意比例混合物。所述咪唑基离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硼氟盐、1-丁基-3-甲基咪唑磷氟酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟合磷、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的一种或多种的任意比例混合物。所述固体电解质为化学组成为Na3Zr2Si2PO12的NASICON结构快离子导体和β-Al2O3型的铝酸钠快离子导体，化学组成为Na3Zr2Si2PO12的NASICON结构快离子导体在温度25℃时的电导率为1.3×10-3S/cm~2.0×10-3S/cm，β-Al2O3型的铝酸钠快离子导体在温度25℃时的电导率为1.0×10-3S/cm~1.67×10-3S/cm。本专利技术新型半固态钠空气电池的制备方法是：（1）联苯钠凝胶的制备：在惰性气体保护下，碳材料中滴入联苯钠，将二者研磨均匀即可制得联苯钠凝胶；（2）离子液体凝胶的制备：将石墨类导电剂、咪唑基离子液体混合均匀得到悬浮液，将悬浮液离心即得到离子液体凝胶；（3）钠空气电池组装：将步骤（1）制得的联苯钠凝胶置于负极模具中，盖上固体电解质，将固体电解质固定模具放于固体电解质上侧，封装，将步骤（2）制得的离子液体凝胶涂覆在固体电解质上，再在凝胶上放上碳纸，接着放置正极导电模具即得新型半固态钠空气电池。所述步骤（1）碳材料和联苯钠固液比为20~100:1；步骤（2）石墨类导电剂与咪唑基离子液体的固液比为10~50:1~5。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术通过将电池负极金属钠和有机电解液一起更换为联苯钠凝胶，能有效解决联苯钠放电后电导率变差的问题。同时，由于金属钠活性较强，安全性较差，使用联苯钠凝胶作为负极活性适中，安全性较好，对钠空气电池投入使用以及商业化具有重要的意义。（2）本专利技术将离子液体凝胶用于钠空气电池的正极，通过将水系电解液更换为离子液体凝胶，从根本上解决了液体电解液泄漏的问题以及水系电解液易挥发的问题，使该新型半固态钠空气电池真正投入使用成为可能，对钠空气电池的商业化具有重要的意义。附图说明图1为本专利技术结构示意图。图2为本专利技术实施例1中空气条件下的充放电曲线。图3为本专利技术实施例2中在空气条件下的充放电曲线。图4为本专利技术实施例3中在空气条件下的充放电曲线。图5为本专利技术实施例4中在空气条件下的充放电曲线。图6为本专利技术实施例5中在空气条件下的充放电曲线。图7为本专利技术实施例6中在空气条件下的充放电曲线。图8为本专利技术实施例7中在空气条件下的充放电曲线。图9为本专利技术实施例8中在空气条件下的充放电曲线。图10为本专利技术实施例9中在空气条件下的充放电曲线。图11为本专利技术实施例10中在空气条件下的充放电曲线。图12为本专利技术实施例11中在空气条件下的充放电曲线。图13为本专利技术实施例12中在空气条件下的充放电曲线。图14为本专利技术实施例13中在空气条件下的充放电曲线。图15为本专利技术实施例14中在空气条件下的充放电曲线。图16为本专利技术实施例15中在空气条件下的充放电曲线。图17为本专利技术实施例16中在空气条件下的充放电曲线。图18为本专利技术实施例17中在空气条件下的充放电曲线。图19为本专利技术实施例18中在空气条件下的充放电曲线。图20为本专利技术实施例19中在空气条件下的充放电曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详尽描述，实施例中未注明的技术或产品，均为现有技术或可以通过购买获得的常规产品。实施例1：如图1、2所示，本新型半固态钠空气电池从负极到正极依次包括联苯钠凝胶负极、固体电解质、离子液体凝胶正极；负极放电时联苯钠凝胶提供电子，固体电解质处于联苯钠凝胶与离子液体凝胶正极之间，固体电解质用于传导Na+和隔离联苯钠凝胶和离子液体凝胶正极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型半固态钠空气电池，其特征在于：从负极到正极依次包括联苯钠凝胶负极、固体电解质和离子液体凝胶正极。

【技术特征摘要】
1.一种新型半固态钠空气电池，其特征在于：从负极到正极依次包括联苯钠凝胶负极、固体电解质和离子液体凝胶正极。2.根据权利要求1所述新型半固态钠空气电池，其特征在于：所述联苯钠凝胶由联苯钠和碳材料复合制备而得。3.根据权利要求2所述新型半固态钠空气电池，其特征在于：所述碳材料为乙炔黑、KB碳（科琴黑）、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯、鳞片石墨的一种或多种。4.根据权利要求2所述新型半固态钠空气电池，其特征在于：所述联苯钠为浓度1-5mol/L的乙二醇二甲醚。5.根据权利要求1所述新型半固态钠空气电池，其特征在于：所述离子液体凝胶正极由石墨类导电剂、咪唑基离子液体和碳纸制备而得。6.根据权利要求5所述新型半固态钠空气电池，其特征在于：所述石墨类导电剂为乙炔黑、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯、炭黑、鳞片石墨的一种或多种。7.根据权利要求5所述新型半固态钠空气电池，其特征在于：所述咪唑基离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硼氟盐、1-丁基-3-甲基咪唑磷氟酸盐、1-烯丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：董敏，
申请(专利权)人：云南经济管理学院，
类型：发明
国别省市：云南,53