CN108258243A - 一种钠离子空气电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钠离子空气电池,属于电化学技术领域。本发明所述钠离子空气电池包括液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极,液体负极和水系电解液用固体电解质将其阻隔开,水系电解液使用NaOH溶液;所述液体负极为联苯钠(Na‑PB‑DME)溶液,钠在联苯钠溶液中的浓度为1‑5 mol/L,其中,联苯钠溶液中水份比例不大于6mg/L。本发明所述电池不仅有较高的放电电压,而且具有较高放电比容量和输出功率密度,且本发明的钠离子空气电池具有较好的稳定性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种钠离子空气电池,属于电化学技术领域。
背景技术
随着汽车工业的快速发展,能源危机和空气污染已成为制约我国及全球经济可持续发展的重大问题,为提高汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济,新能源汽车产业化已成为国际汽车产业界的战略共识和我国科技发展的重大战略需求,当前新能源汽车的动力和储能系统虽然以锂离子电池为主,但因存在初期购置成本高,充电时间长(3-4小时),比能量密度低(150-200瓦时/公斤),电动汽车的续航里程短,充电配备设施少,存在安全隐患等商业化瓶颈使其市场认可度较低。因此,开发适用于电动汽车的高能量密度电池体系摆在我国科研工作者面前的迫切任务。
目前,汽车行业正在寻求一种可以代替传统汽油的全新零排放无污染能源,锂-空气电池因具有较高的能量密度受到大家的广泛关注,然而由于全球的金属锂资源储量有限,大规模应用必将带来成本问题。因此,钠-空气电池因具有高于锂离子电池3-4倍的能量密度和丰富的钠资源,被认为是最有可能代替传统汽油的新能源。同时,钠-空气电池具有能量效率高(过电位较低)、循环性能好(超氧化钠的稳定性较好)、价格更便宜的优点(钠元素的储量丰富),极有潜力在电动汽车上应用。
然而,传统的钠-空气电池的在电动汽车上的大规模应用仍然面临诸多挑战,本发明主要致力于解决电池负极面临的枝晶和自腐蚀问题。首先,由于金属钠在有机电解液中本身的自腐蚀问题,使电池表现出了不理想的循环性能,减小了电池的使用寿命。同时,由于电池工作过程中形成枝晶,造成电池的短路,严重地增加了电池的安全隐患。因此,为了解决上述问题,我们提出了一种基于液体负极的钠离子空气电池。电池不仅展现了较好的电化学性能,同时也表现了较好的安全性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题为:传统空气电池上存在的自腐蚀和枝晶的问题。
本发明的目的在于提供一种钠离子空气电池,有效地提高了电池的电化学性能和安全性能;该电池包括液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;液体负极和水系电解液用固体电解质将其阻隔开,所述液体负极为联苯钠(Na-PB-DME) 溶液(钠溶于联苯中所得溶液),钠在联苯钠溶液中的浓度为1-5 mol/L,其中,联苯钠溶液中水份比例不大于6mg/L。
本发明所述固体电解质为化学组成为Na3Zr2Si2PO12的NASICON结构快离子导体(在温度25℃时其电导率可达1.0 × 10-3 S/cm)或者β-Al2O3快离子导体(电导率为1.67 ×10-3 S/cm),厚度为0.5-1 mm。
本发明所述水系电解液为NaOH,浓度为0.1-1 mol/L。
本发明所述空气正极由催化层、导电镍网压制而成,其中催化层由Pt/C、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀后涂覆在碳纸上制备而成;其中,Pt/C中Pt的质量分数为20-50%,Pt/C、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5~10:1~5:1~2。
本发明所述液体负极放电时提供电子,具有较高的离子导电率,能有效的传输钠离子和电子;固体电解质是钠的快离子导体,并具有较高的导电率和较好的稳定性,用于传导Na+和隔离液体阳极和水系电解液,水系电解液处于固体电解质和正极之间,空气正极包括氧气发生氧化-还原反应的催化剂和气体扩散层。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的钠离子空气电池具有较高的理论能量密度、理论容量和理论开路电压。
(2)本发明的钠离子空气电池不存在和负极的钠金属发生反应的危险,该电池更为安全;钠离子空气电池中由于放电产物是易溶于水的无机盐,不存在空气电极碳孔阻塞的问题,电池的循环寿命更长。
(3)本发明的钠离子空气电池排除了CO2对电池的影响,大大提高了电池性能的电化学性能。
附图说明
图1是本发明所述钠离子空气电池的电池原理结构图。
图2是实施例1测得的电池的充放电曲线。
图3是实施例1测得的电池的I-V曲线。
图4是实施例2测得的电池的充放电曲线。
图5是实施例2测得的电池的I-V曲线。
图6是实施例2测得的电池的循环性能图。
图7是实施例10测得的固体电解质NASICON的XRD图像。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 1 mol/L,固体电解质为厚度为1 mm,直径为16 mm 的NASICON固体电解质隔膜,水系电解液为1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成,催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为40%,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:1:1;
本实施例组装的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80%的环境中进行性能测试,本实施例制备的钠离子空气电池的充放电曲线如图2所示,本实施例制备的钠离子空气电池的I-V曲线如图3所示,电池的极化为0.14 V,能量效率达到了95.3%;同时,电池达到了高达27.3mW/cm2的输出功率密度。
实施例2
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 5 mol/L;固体电解质为厚度为1 mm,直径为16 mm 的NASICON固体电解质隔膜,水系电解液为1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成;催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为40 %,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:5:2;
本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试,本实施例制备的一种新型的钠离子空气电池的放电曲线如图4所示,电池展现了0.14 V的过电位,能量效率达到了95.3%。同时,电池展现了39.0 mW/cm2的最大输出功率密度和很好的循环性能。
实施例3
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 2 mol/L,固体电解质为厚度为1 mm,直径为16 mm 的NASICON固体电解质隔膜,水系电解液为1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成,催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为40%,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为10:1:1;本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试;电池的极化为0.15 V,能量效率达到了95 %;同时,电池达到了高达30.5 mW/cm2的输出功率密度。
实施例4
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 1 mol/L,固体电解质为厚度为1 mm,直径为16 mm 的β-Al2O3固体电解质隔膜,水系电解液为1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成,催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为40%,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:1:1;本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试;电池的极化为0.18V,能量效率达到了93.8%;同时,电池达到了高达23.2mW/cm2的输出功率密度。
实施例5
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 5 mol/L;固体电解质为厚度为1 mm,直径为16 mm 的β-Al2O3固体电解质隔膜,水系电解液为1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成;催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为40 %,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:5:2;本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试;电池的极化为0.18 V,能量效率达到了93.8%;同时,电池达到了高达32.4mW/cm2的输出功率密度。
实施例6
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 2 mol/L,固体电解质为厚度为1 mm,直径为16 mm 的β-Al2O3固体电解质隔膜,水系电解液为1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成,催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为40%,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为10:1:1;本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试;电池的极化为0.18 V,能量效率达到了93.8%;同时,电池达到了高达25.6mW/cm2的输出功率密度。
实施例7
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 1 mol/L,固体电解质为厚度为0.5 mm,直径为16 mm 的NASICON固体电解质隔膜,水系电解液为0.1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成,催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为20%,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为10:5:2;本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试;电池的极化为0.12V,能量效率达到了96%;同时,电池达到了高达31.6mW/cm2的输出功率密度。
实施例8
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 2 mol/L,固体电解质为厚度为0.8 mm,直径为16 mm 的NASICON固体电解质隔膜,水系电解液为0.5 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成,催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为30%,Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为7:3:1.5;本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试;电池的极化为0.13V,能量效率达到了95.6%;同时,电池达到了高达32.2mW/cm2的输出功率密度。
实施例9
如图1所示,一种新型的钠离子空气电池:从负极到正极依次包括联苯钠液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;其中,钠在联苯钠溶液中的浓度为 5 mol/L,固体电解质为厚度为1 mm,直径为16 mm 的NASICON固体电解质隔膜,水系电解液为1 mol/L NaOH的水溶液,空气正极由催化层、导电镍网压制而成,其中空气正极的厚度为0.2mm,催化层由Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀涂覆在碳纸上制备而成,Pt/C催化剂中Pt的质量分数为50%, Pt/C催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为8:3:1;本实施例组装的一种新型的钠离子空气电池在30℃、相对湿度为80% 的环境中进行性能测试;电池的极化为0.14 V,能量效率达到了95.3%;同时,电池达到了高达40.8mW/cm2的输出功率密度。
为了研究电池的稳定性,将厚度为1 mm,直径为16 mm 的NASICON固体电解质隔膜浸泡在液体负极当中,溶液包括0.5 mol/L Na-BP-DME和0.5 mol/L BP-DME。研究显示,固体电解质没有发生明显的变化,表明固体电解质在液体负极中很好的稳定性。
为了研究电池的稳定性,将厚度为1 mm,直径为16 mm 的β-Al2O3固体电解质隔膜浸泡在液体负极当中,溶液包括0.5 mol/L Na-BP-DME和0.5 mol/L BP-DME。研究显示,固体电解质没有发生明显的变化,表明固体电解质在液体负极中很好的稳定性。
Claims (4)
1.一种钠离子空气电池,其特征在于:包括液体负极、固体电解质、水系电解液、空气正极;液体负极和水系电解液用固体电解质将其阻隔开,所述液体负极为联苯钠溶液,钠在联苯钠溶液中的浓度为1-5 mol/L,其中,联苯钠溶液中水份比例不大于6mg/L。
2.根据权利要求1所述的一种新型的钠离子空气电池,其特征在于:固体电解质为化学组成为Na3Zr2Si2PO12的NASICON结构快离子导体或者β-Al2O3快离子导体,厚度为0.5-1 mm。
3.根据权利要求1所述一种新型的钠离子空气电池,其特征在于:水系电解液为NaOH,浓度为0.1-1 mol/L。
4.根据权利要求1所述一种新型的钠离子空气电池,其特征在于:空气正极由催化层、导电镍网压制而成,其中催化层由Pt/C、活性炭、聚四氟乙烯在酒精与水的溶剂中混合均匀后涂覆在碳纸上制备而成;其中,Pt/C中Pt的质量分数为20-50%,Pt/C、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5~10:1~5:1~2。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110011001A (zh) * | 2019-04-10 | 2019-07-12 | 南开大学 | 一种基于有机羰基聚合物负极的水系空气电池及其制备方法 |
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2018
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