CN113036163B - 二氧化碳电池的正极结构及金属-二氧化碳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳电池的正极结构及金属‑二氧化碳电池，所述正极结构包括“盐包水”电解液与二氧化碳正极，通过“盐包水”电解液与二氧化碳正极，从根本上解决了有机电解液易燃烧、易爆炸及传统水系电解液易挥发和电化学窗口窄的问题，并提升了电池在纯二氧化碳条件下的充放电性能和稳定循环性能。

Description

二氧化碳电池的正极结构及金属-二氧化碳电池
技术领域
本发明涉及电池能源领域，特别涉及一种二氧化碳电池的正极结构及金属-二氧化碳电池。
背景技术
随着社会的快速进步与科技革新，煤、石油和天然气等化石燃料的过度消耗引发了全球对能源短缺的担忧，虽然太阳能、潮汐能和风能等可再生能源可以减轻对化石燃料的依赖，但这些可再生能源具有不稳定性和间歇性。另一方面，化石能源的燃烧排放了大量二氧化碳(CO2)等温室气体，造成严重的环境污染，实现碳循环也成为全世界人民关注的热点。为了缓解日益加剧的温室效应，解决可再生能源的不稳定性和间歇性，发展一种既可以高效处理CO2又能进行能量储存和转换的装置迫在眉睫。
金属-二氧化碳(Me-CO2)电池将温室气体CO2引入电池系统，资源化利用CO2，不仅可以缓解温室效应，还可以作为储能装置存储间歇性的可再生能源(太阳能、风能、地热能、潮汐能等)，提供大量电能以满足日常生活中人们对能源的需求，降低对化石燃料的消耗。在众多的金属-二氧化碳电池中，锂-二氧化碳电池的研究相对较早，取得了一些令人满意的结果，但由于锂资源的匮乏，锂-二氧化碳电池的发展势必会受到限制，而与锂处于同一主族的钠的储量是锂的430倍，价格约为锂的十分之一，钠-二氧化碳电池与锂-二氧化碳电池工作原理类似。其中，钠-二氧化碳电池具有能量效率高(过电位较低)、循环性能好(产物的稳定性较好)、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及太阳能储能转换上应用。开展与钠-二氧化碳电池应用相关的研究对解决传统化石能源的短缺及过度开发对环境的破坏具有重要意义。
目前，金属-二氧化碳电池中，如钠-二氧化碳电池，主要为有机体系和有机/水混合体系。在有机体系中，由于其正极和负极电解液都采用有机电解液，电池的放电产物难以溶解在正极电解液中，导致电池的过电位高、循环稳定性差，并且，开放的正极使用有机电解液极易发生燃烧或爆炸。而有机/水混合体系的电池由于其正极采用水系电解液可以很好的解决产物难溶解和电解液燃烧爆炸问题。但现有机/水混合体系电池在使用过程中，水系电解液存在着易挥发、电化学窗口窄等问题，挥发使得电解液浓度发生变化，影响电池电化学性能，窄的电化学窗口限制了电池的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化碳电池的正极结构，通过“盐包水”电解液与二氧化碳正极，从根本上解决了有机电解液易燃烧、易爆炸及传统水系电解液易挥发和电化学窗口窄的问题，并提升了电池在纯二氧化碳条件下的充放电性能和稳定循环性能。
为实现上述发明目的，本发明一种实施例提供的一种二氧化碳电池的正极结构包括“盐包水”电解液与二氧化碳正极。
相较于现有技术，上述二氧化碳电池的正极结构采用“盐包水”电解液与二氧化碳正极，通过将正极有机电解液或传统水电解液更换为“盐包水”电解液，使得从根本上解决了二氧化碳电池有机电解液易燃烧、易爆炸及传统水系电解液易挥发和电化学窗口窄的问题，并提升了电池在纯二氧化碳条件下的充放电性能和稳定循环性能。“盐包水”电解液中的水可以被限制于盐中，只有少部分的水呈自由态，这很好地降低了水的活性，扩大了“盐包水”电解液使用的温度范围。
在一些实施例中，所述“盐包水”电解液包括CH3COOK、CH3COONa、NaOH、NaCl、NaClO4、NaFSI中的一种、两种或多种。具体地，采用钠盐中的一种或多种作为电解液具有常温下不易挥发、有较宽的电化学窗口、有较高的离子电导率、有较高的稳定性、具有较高的安全性和无毒性等优点，且“盐包水”电解液中的水被限制于盐中，只有少部分的水呈自由态，这很好地降低了水的活性，扩大了“盐包水”电解液使用的温度范围，而且，“盐包水”电解液使所述二氧化碳电池在纯CO2条件下具有稳定的充放电电压，较低的过电位，较高的放电比容量，电池的循环稳定性高，且钠元素的储量丰富，能有效降低所述二氧化碳电池的成本，可以减少对稀缺元素的使用，符合绿色产业理念，对环境友好。由于放电产物是易溶于水的无机盐，而所述二氧化碳电池的正极结构使用的是“盐包水”电解液，因此不存在二氧化碳电极气孔阻塞的问题，电池的循环更加稳定、寿命更长。
在一些实施例中，所述二氧化碳正极包括碳纸及设置于所述碳纸上的催化层。具体地，采用在碳纸上覆盖催化层作为所述二氧化碳电池正极，结构简单易生产，且结构稳定，有利于提升所述二氧化碳电池的稳定性。
在一些实施例中，所述二氧化碳正极还包括集流体，所述集流体为导电镍网，且所述集流体与所述催化层压制于一体。具体地，采用导电镍网作为集流体，可以起到固定、集流作用，提升所述二氧化碳电池充放电性能和稳定循环性能。
在一些实施例中，所述催化层包括催化剂、导电体及粘合剂，所述催化层由所述催化剂、所述导电体及所述粘合剂在酒精和水的溶剂中混合均匀并涂覆在所述碳纸上制备而成。具体地，将所述催化剂、所述导电体及所述粘合剂在酒精和水的溶剂中混合，可以使所述催化剂、所述导电体在所述粘合剂作用下均匀混合，将混合物涂抹在所述碳纸上制备所述催化层，操作过程简单、安全，基本不涉及复杂的反应过程，易于工业生产，且不产生工业废料，降低了能耗和设备的投资的同时，符合绿色产业理念，对环境友好。
在一些实施例中，所述导电体包括活性炭，所述粘合剂包括聚四氟乙烯。具体地，采用所述活性炭作为所述导电体，所述聚四氟乙烯作为所述粘合剂，其电化学稳定性好、热力学稳定性好以及较优导电性等优势，可以使得所述二氧化碳电池具有较优的电导率。
在一些实施例中，所述催化剂为纳米金、铂碳、钌碳中的一种，其中，所述铂碳中铂的质量份数为10％～50％，所述钌碳中钌的质量份数为5％～40％。具体地，所述催化剂为纳米金、铂碳、钌碳中的一种，易于获得，便于工业生产上的应用。
在一些实施例中，所述催化剂、所述导电体、所述粘合剂的质量比为(5～10):(1～5):(1～2)。具体地，按上述比例配置对所述催化层具有较优的催化性能，有利于提升所述二氧化碳电池的导电性。
本发明一种实施例还提供的一种金属-二氧化碳电池，所述金属-二氧化碳电池包括负极结构、上述任意一实施例所述的正极结构、位于所述负极结构与所述正极结构之间的隔膜，所述负极结构包括金属负极与有机电解液。
在一些实施例中，所述金属负极包括金属钠；所述有机电解液包括酯类电解液或醚类电解液，其中，所述酯类电解液成分包括(0.1～1)mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述醚类电解液成分包括(0.1～1)mol/L NaClO4/[(TEGDME+DME)(1:1)]；所述有机电解液中水份比例不大于6ppm；所述隔膜包括固体电解质，所述固体电解质包括Na3Zr2Si2PO12的NASICON结构快离子导体和β-Al2O3快离子导体。
上述有机电解液没有暴露在二氧化碳中，并且由于水和二氧化碳无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的金属钠发生反应而产生危险，使电池更为安全。
附图说明
图1是本发明提供的金属-二氧化碳电池的结构示意图；
图2是本发明一种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图；
图3是本发明一种实施例提供的金属-二氧化碳电池的放电比容量曲线图；
图4是本发明一种实施例提供的金属-二氧化碳电池的循环曲线图；
图5是本发明第二种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图；
图6是本发明第二种实施例提供的金属-二氧化碳电池的循环曲线图；
图7是本发明第三种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图；
图8是本发明第三种实施例提供的金属-二氧化碳电池的循环曲线图；
图9是本发明第四种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图；
图10是本发明第五种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图；
图11是本发明第六种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图；
图12是本发明第七种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图；
图13是本发明第八种实施例提供的金属-二氧化碳电池的充放电曲线图。
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。
如前所述，目前钠-二氧化碳电池主要为有机体系和有机/水混合体系。在有机体系中，由于其正极和负极电解液都采用有机电解液，电池的放电产物难以溶解在正极电解液中，导致电池的过电位高、循环稳定性差，并且，开放的正极使用有机电解液极易发生燃烧或爆炸。而有机/水混合体系的电池由于其正极采用水系电解液可以很好的解决产物难溶解和电解液燃烧爆炸问题。但现有的有机/水混合体系电池在使用过程中，水系电解液存在着易挥发、电化学窗口窄等问题，挥发使得电解液浓度发生变化，影响电池电化学性能，窄的电化学窗口限制了电池的实际应用。
本发明实施例中金属-二氧化碳电池10，通过将正极有机电解液或传统水电解液更换为“盐包水”电解液111，使得从根本上解决了二氧化碳电池有机电解液易燃烧、易爆炸及传统水系电解液易挥发和电化学窗口窄的问题，并提升了电池在纯二氧化碳条件下的充放电性能和稳定循环性能。
具体地，如图1所示，图1是本发明提供的金属-二氧化碳电池10的结构示意图。所述金属-二氧化碳电池10包括负极结构12、正极结构11、位于负极结构12与正极结构11之间的隔膜13，所述负极结构12包括金属负极121与有机电解液122。在一些实施例中，所述二氧化碳电池10的正极结构11包括“盐包水”电解液111与二氧化碳正极112。所述“盐包水”电解液111是指溶解在溶剂中的溶质的体积和质量均大于溶剂的体积及质量的溶液。所述“盐包水”电解液111由于其高浓度的盐降低了水与盐的摩尔比，可以提高电解液的电化学窗口，当其在作为离子电池的电解液时，为离子电池在高电压下工作提供了条件，其次，由于所述“盐包水”电解液111具有较高的离子电导率，可以使离子电池具有较好的倍率性能。另外，由于所述“盐包水”电解液111具有较高的热稳定性和化学稳定性，可以使离子电池进行高度稳定的循环以及在较宽的温度下工作，另外，所述“盐包水”电解液111具有不燃性，可以显著提高离子电池的安全性。
相较于现有技术，上述二氧化碳电池10的正极结构11采用“盐包水”电解液111与二氧化碳正极112，通过在正极结构11使用“盐包水”电解液111，使得从根本上解决了二氧化碳电池有机电解液易燃烧、易爆炸及传统水系电解液易挥发和电化学窗口窄的问题，并提升了电池在纯二氧化碳条件下的充放电性能和稳定循环性能。此外，“盐包水”电解液中的水可以被限制于盐中，只有少部分的水呈自由态，这很好地降低了水的活性，扩大了“盐包水”电解液使用的温度范围。
在一些实施例中，所述“盐包水”电解液111包括CH3COOK、CH3COONa、NaOH、NaCl、NaClO4、NaFSI中的一种、两种或多种。具体地，采用钠盐中的一种或多种作为电解液具有常温下不易挥发、有较宽的电化学窗口、有较高的离子电导率、有较高的稳定性、具有较高的安全性和无毒性的优点，且“盐包水”电解液中的水可以被限制于盐中，只有少部分的水呈自由态，这很好地降低了水的活性，扩大了“盐包水”电解液使用的温度范围，而且，使所述二氧化碳单纯在纯CO2条件下具有稳定的充放电电压，具有较低的过电位，具有较高的放电比容量，使所述金属-二氧化碳电池10的循环稳定性高，且自然界中钠元素的储量丰富，能有效降低所述金属-二氧化碳电池10的成本，可以减少对稀缺元素的使用，符合绿色产业理念，对环境友好。由于所述金属-二氧化碳电池10的放电产物是易溶于水的无机盐，而所述金属-二氧化碳电池10的正极结构11使用的是水溶液作为电解液，因此不存在二氧化碳正极112气孔阻塞的问题，使所述金属-二氧化碳电池10的循环更加稳定、寿命更长。
在一些实施例中，所述金属-二氧化碳电池10的所述正极结构11的所述二氧化碳正极112包括碳纸及设置于所述碳纸上的催化层。具体地，采用在碳纸上覆盖催化层作为所述二氧化碳正极，结构简单易生产，且结构稳定，有利于提升所述金属-二氧化碳电池10的稳定性。
在一些实施例中，所述金属-二氧化碳电池10的正极结构11还包括集流体，所述集流体为导电镍网，且所述集流体与所述催化层压制于一体。具体地，采用导电镍网作为集流体，可以起到固定、集流作用，提升所述金属-二氧化碳电池10充放电性能和稳定循环性能。
在一些实施例中，所述催化层包括催化剂、导电体及粘合剂、所述催化层由所述催化剂、所述导电体及所述粘合剂在酒精和水的溶剂中混合均匀并涂覆在所述碳纸上制备而成。具体地，将所述催化剂、所述导电体及所述粘合剂在酒精和水的溶剂中混合，可以使所述催化剂、所述导电体在所述粘合剂作用下均匀混合，将混合物涂抹在所述碳纸上制备所述催化层，操作过程简单、安全，基本不涉及复杂的反应过程，易于工业生产，且不产生工业废料，降低了能耗和设备的投资的同时，符合绿色产业理念，对环境友好。
在一些实施例中，所述导电体包括活性炭，所述粘合剂包括聚四氟乙烯。具体地，采用所述活性炭作为所述导电体，所述聚四氟乙烯作为所述粘合剂，其电化学稳定性好、热力学稳定性好以及较优导电性等优势，可以使得所述金属-二氧化碳电池10具有较优的电导率。
在一些实施例中，所述催化剂为纳米金、铂碳、钌碳中的一种，其中，所述铂碳中铂的质量份数为10％～50％，所述钌碳中钌的质量份数为5％～40％。具体地，所述催化剂为纳米金、铂碳、钌碳中的一种，易于获得，便于工业生产上的应用。
在一些实施例中，所述催化剂、所述导电体、所述粘合剂的质量比为(5～10):(1～5):(1～2)。具体地，按上述比例配置对所述催化层具有较优的催化性能，有利于提升所述金属-二氧化碳电池10的导电性。
在一些实施例中，所述金属负极121包括金属钠；所述有机电解液122包括酯类电解液或醚类电解液，其中，所述酯类电解液成分包括(0.1～1)mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述醚类电解液成分包括(0.1～1)mol/L NaClO4/[(TEGDME+DME)(1:1)]，无论为何种有机电解液，所述有机电解液122中水份比例不大于6ppm；所述隔膜13包括固体电解质，所述固体电解质包括Na3Zr2Si2PO12的NASICON结构快离子导体和β-Al2O3快离子导体。具体地，上述金属-二氧化碳电池10的有机电解液122没有暴露在二氧化碳中，并且由于水和二氧化碳无法通过固体电解质隔膜，因此不存在和负极的金属钠发生反应而产生危险，使所述金属-二氧化碳电池10更为安全。
上述金属-二氧化碳电池10中，正极结构11是一个开放的系统，以传统的水系电解液(如饱和氯化钠溶液)为正极电解液时，水分的挥发导致电解液的浓度发生变化，电池难以实现稳定长循环。而使用所述“盐包水”电解液111时，水盐摩尔比较低，电解液中的水分难以挥发，在所述金属-二氧化碳电池10开放的正极使用时，保证了电池的稳定性及长循环，由于所述“盐包水”电解液111中水分子被限制在盐中，水的活性降低，在所述金属-二氧化碳电池10中使用时，可以减少副反应的产生。
第一种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为0.5mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜13，所述“盐包水”电解液111为18mol/L NaClO4的水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中所述二氧化碳正极112的厚度为0.2mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:1:1。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温30℃、纯CO2条件下进行性能测试，其充放电曲线如图2所示，放电比容量曲线如图3所示，循环曲线如图4所示，当电解液为18mol/L NaClO4水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为1.80V，充电平台约为3.81V，放电比容量为10000mAh/g，所述金属-二氧化碳电池10稳定循环105次。
第二种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为0.6mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜，所述“盐包水”电解液111为27mol/L NaFSI的水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中所述二氧化碳正极112的厚度为0.3mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:5:2。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温30℃、纯CO2条件下进行性能测试，其充放电曲线如图5所示，循环曲线如图6所示，当电解液为27mol/L NaFSI水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为1.85V，充电平台约为2.91V，所述金属-二氧化碳电池10稳定循环309次。
第三种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为0.8mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜，所述“盐包水”电解液111为8mol/L NaOH+24mol/L CH3COOK的水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中，所述二氧化碳正极112的厚度为0.4mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为10:1:1。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温30℃、纯CO2条件下进行性能测试，其充放电曲线如图7所示，循环曲线如图8所示，当电解液为8mol/L NaOH+24mol/LCH3COOK水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为1.41V，充电平台约为2.78V，电池10稳定循环50次。
第四种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为0.6mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜，所述“盐包水”电解液111为5mol/L NaClO4+27mol/L NaFSI的水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中，所述二氧化碳正极112的厚度为0.3mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:2:1。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温30℃、纯CO2条件下进行性能测试，其充放电曲线如图9所示，当电解液为5mol/L NaClO4+27mol/L NaFSI水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为1.92V，充电平台约为2.85V。
第五种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为0.9mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜，所述“盐包水”电解液111为8mol/L CH3COONa+24mol/L CH3COOK的水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中所述二氧化碳正极112的厚度为0.4mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为8:2:1。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温30℃、纯CO2条件下进行性能测试，其放电曲线如图10所示，当电解液为8mol/L CH3COONa+24mol/L CH3COOK水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为1.83V，充电平台约为3.61V。
第六种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为0.5mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜，所述“盐包水”电解液111为8mol/L NaOH+32mol/L CH3COOK的水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中，所述二氧化碳正极112的厚度为0.4mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为7:3:2。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温30℃、纯CO2条件下进行性能测试，其充放电曲线如图11所示，当电解液为8mol/L NaOH+32mol/L CH3COOK的水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为1.41V，充电平台约为2.79V。
第七种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为1mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜，所述“盐包水”电解液111为6mol/L NaCl+32mol/L CH3COOK的水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中，所述二氧化碳正极112的厚度为0.5mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为10:1:1。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温30℃、纯CO2条件下进行性能测试，其充放电曲线如图12所示，当电解液为8mol/L NaCl+32mol/L CH3COOK的水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为1.70V，充电平台约为3.67V。
第八种实施例：
所述金属-二氧化碳电池10从负极结构12到正极结构11依次包括所述金属负极121、所述有机电解液122、所述固体电解质、所述“盐包水”电解液111、所述二氧化碳正极112；其中，所述金属负极121为金属钠块，金属钠块的厚度为0.7mm，面积为0.785cm2，所述有机电解液122为1mol/L NaClO4/[(EC+DMC)(1:1)+1vol％FEC]，所述固体电解质为厚度为1mm，直径为16mm的NASICON固体电解质隔膜，所述电解液111为27mol/L NaFSI的水溶液和饱和氯化钠水溶液，所述二氧化碳正极112由催化层、导电镍网压制而成，其中，所述二氧化碳正极112的厚度为0.5mm，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5％，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为6:4:2。
本实施例组装的所述金属-二氧化碳电池10在恒温-10℃、纯CO2条件下进行性能测试，其充放电曲线如图13所示，当电解液为27mol/L NaFSI的水溶液时，所述金属-二氧化碳电池10的放电平台约为0.8V，充电平台约为3.15V，而当电解液为饱和氯化钠溶液时，所述金属-二氧化碳电池10不能正常工作，没有充放电平台。可见，本实施例组装的“盐包水”金属-二氧化碳电池10的性能较佳。

Claims (3)

1.一种金属-二氧化碳电池，所述金属-二氧化碳电池包括负极结构、正极结构、位于所述负极结构与所述正极结构之间的隔膜，所述负极结构包括金属负极与有机电解液，所述隔膜包括NASICON固体电解质隔膜，其特征在于：所述有机电解液为1 mol/L NaClO4 /[(EC+DMC)+ l vol% FEC]，EC和DMC的用量比为1:1，所述正极结构包括“盐包水”电解液与二氧化碳正极，所述金属-二氧化碳电池正极包括碳纸及设置于所述碳纸上的催化层，所述“盐包水”电解液包括27 mol/L NaFSI的水溶液，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5%，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:5:2。
2.一种金属-二氧化碳电池，所述金属-二氧化碳电池包括负极结构、正极结构、位于所述负极结构与所述正极结构之间的隔膜，所述负极结构包括金属负极与有机电解液，所述隔膜包括NASICON固体电解质隔膜，其特征在于：所述有机电解液为1 mol/L NaClO4 /[(EC+DMC)+ l vol% FEC]，EC和DMC的用量比为1:1，所述正极结构包括“盐包水”电解液与二氧化碳正极，所述金属-二氧化碳电池正极包括碳纸及设置于所述碳纸上的催化层，所述“盐包水”电解液包括5 mol/L NaClO4+27 mol/L NaFSI的水溶液，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5%，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为5:2:1。
3.一种金属-二氧化碳电池，所述金属-二氧化碳电池包括负极结构、正极结构、位于所述负极结构与所述正极结构之间的隔膜，所述负极结构包括金属负极与有机电解液，所述隔膜包括NASICON固体电解质隔膜，其特征在于：所述有机电解液为1mol/LNaClO4/[(EC+DMC)+lvol%FEC]，EC和DMC的用量比为1:1，所述正极结构包括“盐包水”电解液与二氧化碳正极，所述金属-二氧化碳电池正极包括碳纸及设置于所述碳纸上的催化层，所述“盐包水”电解液包括27 mol/L NaFSI的水溶液和饱和氯化钠水溶液，所述催化层由钌碳催化剂、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，钌碳催化剂中钌的质量分数为5%，钌碳催化剂、活性炭、聚四氟乙烯的质量比为6:4:2。
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