CN108682922A - 一种钠空气或氮气电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钠空气或氮气电池，其结构为现有钠氧气电池的结构，依次叠加正极、隔膜和负极，正极和负极之间充满电解液；所述正极为空气电极，气体源为大气中的空气或者氮气，空气电极材料为多孔碳材料，或碳布与过渡金属氧化物的复合材料；所述负极的材料为金属钠片，所述隔膜为玻璃纤维，所述电解液为三氟甲基磺酸钠。本发明的钠空气电池可以在大气中运行或者在空气含量最多的氮气中运行，更容易实施；钠氮气电池能够将空气中的氮气转变为氮化钠，为氮气固定提供了一种新的思路，不仅拓展了人工固氮新方法，而且开发出了新的电池体系，复合绿色化学的要求，有利于大规模可再生能源的存储于利用。
Description
技术领域：
本发明涉及电化学固氮技术，特别是一种钠空气或氮气电池。
背景技术
当今，环境问题备受关注，所以取代燃油动力车辆的电动或混合动力车所需储能器件得到很好发展。锂离子电池由于高能量密度，目前已广泛应用于便携式电子产品、电动工具等领域。然而，迄今成熟的锂离子电池均以钴、镍等无机过渡金属元素为主要的正极活性材料，因此锂离子电池的大规模使用，势必导致钴、镍等金属资源危机。并且，锂离子电池的能量密度已接近极限。故而，开发更高能量密度的化学电源成为必然。钠氧电池，即：钠氧电池，由于具有高的容量密度和能量密度，被认为是最有可能满足上述需求的化学电源。
钠氧气电池的氧气电极扮演着重要角色，其性能好坏直接决定了最终钠氧气电池的各项性能指标。目前，钠氧气电池的氧气电极气体来源为高纯氧气，很难在大气中运行，电极材料材料多采用常用炭材料，如商业化炭黑(如KB系列、XC-72和XC-72R、BP2000等)、自制活性炭、碳气凝胶、石墨烯等。由于这些炭材料自身结构的限制，其氧还原催化性能有限，致使钠空气或氧气电池高容量和高能量密度的潜力未能充分发挥。
氮元素在自然界中储量丰富，约占空气体积的78％，但是氮氮三键是自然界中最稳定的化学键之一，通过化学手段将稳定的氮气固定下来，并转化利用已经成为许多科学家关注的重大课题。工业上主要依赖20世纪初提出的Haber-Bosch法，即在适当的温度和压力条件下，利用贵金属催化剂，将氢气与氮气按照一定比例混合，在催化剂表面完成固氮过程。但是该方法需要在高温高压下完成，工艺复杂，耗能大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备比现有钠氧气电池更高的比容量和更高的放电平台的高性能钠空气或氮气电池。
本发明的钠空气或氮气电池的结构为现有钠氧气电池的结构，依次叠加正极、隔膜和负极，正极和负极之间充满电解液；
所述正极为空气电极，气体源为大气中的空气或者氮气，空气电极材料为多孔碳材料或碳布与过渡金属氧化物；
所述负极、隔膜以及电解液均采用本领域钠氧气电池通用的负极、隔膜以及电解液，即所述负极的材料为金属钠片，所述隔膜为玻璃纤维，所述电解液为三氟甲基磺酸钠。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的钠空气电池可以在大气中运行或者在空气含量最多的氮气中运行，更容易实施。
2、本发明的钠氮气电池能够将空气中的氮气转变为氮化钠，为氮气固定提供了一种新的思路。
3、本发明的钠氮气电池，不仅拓展了人工固氮新方法，而且开发出了新的电池体系，复合绿色化学的要求，有利于大规模可再生能源的存储于利用。
附图说明
图1是本发明实施例1的钠空气电池的循环容量及电压循环图，图中a是循环容量图、b是容量效率循环图。
图2是本发明实施例2中所涉及的循环容量及电压循环图，图中a是循环容量图、b是容量效率循环图。
图3是本发明实施例3中所涉及的循环容量及电压循环图，图中a是循环容量图、b是容量效率循环图。
图4是本发明实施例4中所涉及的循环容量及电压循环图，图中a是不同倍率下的电压容量图、b是容量效率循环图。
图5是本发明实施例5中所涉及的循环容量及电压循环图，图中a是第一个循环的充电放电容量曲线、b是容量效率循环图。
具体实施方式：
实施例1
组装钠空气电池，负极采用金属钠片，正极采用碳布，将方形碳布剪切为直径为1cm的圆片，电解液为三氟甲基磺酸钠，溶剂为四乙二醇二甲醚，隔膜采用玻璃纤维，采用CR2032电池壳，组装成纽扣电池，在正极壳上打有小孔，以便气体流通，气体来源为大气中的空气，电池测试前静止12小时，然后在蓝电电池测试仪上进行充放电测试，在电化学工作站上进行CV的测试，如图1所示，说明制备的钠-空气电池能够在空气中有良好的循环性能，有较大的容量。
实施例2
组装钠氮气电池，负极采用金属钠片，正极采用碳布，将方形碳布剪切为直径为1cm的圆片，电解液为三氟甲基磺酸钠，溶剂为四乙二醇二甲醚，隔膜采用玻璃纤维，采用CR2032电池壳，组装成纽扣电池，在正极壳上打有小孔，以便气体流通，气体来源为高纯氮气，电池测试前静止12小时，然后在蓝电电池测试仪上进行充放电测试，在电化学工作站上进行CV的测试，如图2所示，说明制备的钠-氮气电池能够在空气中有良好的循环性能，有较大的容量。这是钠空气电池第一次在但其中进行循环，代表着一种新的电池体系。
实施例3
组装钠氮气电池，负极采用金属钠片，正极采用碳布原位生长二氧化锰纳米线，将生长有二氧化锰材料的碳布剪切为直径为1cm的圆片，电解液为三氟甲基磺酸钠，溶剂为四乙二醇二甲醚，隔膜采用玻璃纤维，采用CR2032电池壳，组装成纽扣电池，在正极壳上打有小孔，以便气体流通，气体来源为大气中的高纯氮气，电池测试前静止12小时，然后在蓝电电池测试仪上进行充放电测试，在电化学工作站上进行CV的测试，如图3所示，说明采用氧化锰与碳布复合电极材料能够提升电池的性能，包括循环效果以及电池的容量和效率。
实施例4
组装钠氮气电池，负极采用金属钠片，正极采用碳布原位生长二氧化钛纳米线，将生长有二氧化钛材料的碳布剪切为直径为1cm的圆片，电解液为三氟甲基磺酸钠，溶剂为四乙二醇二甲醚，隔膜采用玻璃纤维，采用CR2032电池壳，组装成纽扣电池，在正极壳上打有小孔，以便气体流通，气体来源为大气中的高纯氮气，电池测试前静止12小时，然后在蓝电电池测试仪上进行充放电测试，在电化学工作站上进行CV的测试，如图4所示，说明采用氧化钛与碳布复合电极材料能够提升电池的性能，包括循环效果、倍率性能以及电池的容量和循环效率。
实施例5
组装钠氮气电池，负极采用金属钠片，正极采用碳布原位生长二氧化钴纳米线，将生长有氧化钴材料的碳布剪切为直径为1cm的圆片，电解液为三氟甲基磺酸钠，溶剂为四乙二醇二甲醚，隔膜采用玻璃纤维，采用CR2032电池壳，组装成纽扣电池，在正极壳上打有小孔，以便气体流通，气体来源为大气中的高纯氮气，电池测试前静止12小时，然后在蓝电电池测试仪上进行充放电测试，在电化学工作站上进行CV的测试，如图5所示，说明采用氧化钴与碳布复合电极材料能够提升电池的性能，包括循环效果以及电池的容量和效率。
Claims (1)
1.一种钠空气或氮气电池，其结构为现有钠氧气电池的结构，依次叠加正极、隔膜和负极，正极和负极之间充满电解液，所述负极的材料为金属钠片，所述隔膜为玻璃纤维，所述电解液为三氟甲基磺酸钠，其特征在于：所述正极为空气电极，气体源为大气中的空气或者氮气，空气电极材料为多孔碳材料或碳布与过渡金属氧化物的复合材料。
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Publications (1)
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