一種添加碘化鈉的鈉空氣電池及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種于鈉空氣電池(Na-air)中添加碘化鈉(NaI)的新型電池，該電池屬于鈉空氣電池體系。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的能源利用方式所帶來(lái)的資源短缺、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等問(wèn)題日漸突出，因此傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)及其利用方式越來(lái)越難以適應(yīng)人類(lèi)生存發(fā)展的需要。高效、合理地使用不可再生能源而又保持環(huán)境和生態(tài)平衡的基本途徑就是開(kāi)發(fā)以這些資源為初級(jí)燃料的燃料電池技術(shù)。金屬空氣電池發(fā)揮了燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，它以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，金屬作為負(fù)極活性物質(zhì)，氧氣通過(guò)氣體擴(kuò)散電極到達(dá)氣-固-液三相界面與金屬反應(yīng)而放出電能。金屬空氣電池的原材料豐富、性?xún)r(jià)比高并且無(wú)污染，因此被稱(chēng)為是“面向21世紀(jì)的綠色能源”。
金屬鋰、鈉等是非?；顫姷年?yáng)極材料，來(lái)源廣泛、儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、反應(yīng)產(chǎn)物不會(huì)造成環(huán)境污染，是電池理想的電極材料。金屬空氣電池的正極活性物質(zhì)是氧氣，若在空氣中使用，電池的正極材料在理論上是無(wú)限的，因此使電池具有能量密度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。積極開(kāi)發(fā)鋁/鎂空氣電池是解決目前化學(xué)電源能量重量比偏低、價(jià)格能量比偏高、污染環(huán)境等問(wèn)題的有效途徑。在目前世界對(duì)能源、環(huán)保呼聲日益高漲的大背景下，開(kāi)展對(duì)金屬空氣電池的研宄，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保節(jié)能的要求，具有積極的意義。
[0003]鈉-空氣電池在電壓約2.2伏的放電過(guò)程中，堿金屬鈉在碳材料的陰極上與空氣中的氧元素結(jié)合成穩(wěn)定的過(guò)氧化物，在充電過(guò)程中，鈉離子又被還原成金屬鈉并釋放出氧，充放電過(guò)程的效率達(dá)到80-90%，理論電能密度可以達(dá)到1600瓦/千克。與鋰材料相比，雖然理論上鋰電極可以達(dá)到更高的電能密度，但鈉與氧結(jié)合成過(guò)氧化物的電化學(xué)過(guò)程比鋰要更加穩(wěn)定。因此，這種新型的鈉-空氣電池具有穩(wěn)定性高、電壓損失小的優(yōu)點(diǎn)。鈉材料也具有作為未來(lái)新型電池系統(tǒng)電極材料的前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種循環(huán)性能優(yōu)良的鈉空氣電池及其制備方法。
[0005]本發(fā)明提出的鈉空氣電池循環(huán)次數(shù)可達(dá)140次以上。經(jīng)研宄表明NaI可以減小電池的極化并大幅度延長(zhǎng)鈉空氣電池循環(huán)壽命，然而目前為止并沒(méi)有關(guān)于NaI在鈉空氣電池中應(yīng)用的報(bào)道。
[0006]本發(fā)明提供的碘化鈉鈉空氣電池，正極為碳材料，負(fù)極為鈉塊(Na)，電解質(zhì)為醚類(lèi)或碳酸酯類(lèi)電解液，其中添加有碘化鈉，碘化鈉濃度范圍為lmM/L-100mM/L。
本發(fā)明的單體電池為管式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
[0007]本發(fā)明提供的碘化鈉鈉空氣電池，其制備具體步驟為:
步驟一，正極制備:碳材料置于70°C _100°C下烘24h-48h，然后分散在無(wú)水乙醇中，將碳材料復(fù)合到泡沫鎳上，置于70°C _100°C下真空干燥24h-48h，得到碳材料與泡沫鎳復(fù)合物，作為正極材料；
步驟二，電解質(zhì)制備:電解質(zhì)于90°C _120°C下真空干燥24h-48h，醚類(lèi)或碳酸酯類(lèi)電解液用分子篩除水后配置0.5M/L -1M/L電解液，往電解液中添加碘化鈉，碘化鈉濃度范圍為ImM/L-lOOmM/L ；
步驟三，組裝電池:將上述碳材料正極，與添加碘化鈉的醚類(lèi)電解質(zhì)以及鈉負(fù)極組裝成管式電池。
[0008]本發(fā)明中，所述碳材料優(yōu)選碳納米管，石墨烯或者氮化石墨烯等。
[0009]本發(fā)明中，所述電解質(zhì)優(yōu)選高氯酸鈉或六氟磷酸鈉等。
[0010]本發(fā)明中，碘化鈉(碘化鈉濃度范圍為lmM/L-100mM/L)直接添加到鈉空氣電池電解液中。電化學(xué)性能測(cè)試采用兩電極組成的電池系統(tǒng)，其中，碳材料用作空氣電極，高純鈉塊用作負(fù)極，電解液為碳酸酯類(lèi)或醚類(lèi)。電池裝配在充滿(mǎn)干燥空氣的手套箱內(nèi)進(jìn)行。電池的充放電實(shí)驗(yàn)在藍(lán)電(Land)電池測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行。
[0011]本發(fā)明中，添加碘化鈉后的鈉空氣電池具有良好的充放電性能。第一次充放電反應(yīng)的放電平臺(tái)出現(xiàn)在2.2V (相對(duì)于Na+/Na)，充電平臺(tái)在3.2V (相對(duì)于Na+/Na)，而且在之后的各次充放電過(guò)程中，充放電平臺(tái)變化很小，在放電容量100mAh g—1下可以進(jìn)行140次以上循環(huán)，電池極化大幅度下降。上述性能表明，碘化鈉是一類(lèi)新型添加劑，可以應(yīng)用于鈉空氣電池。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為實(shí)施例1的鈉空氣電池管式結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為實(shí)施例1中0.0lM NaI條件下，鈉空氣電池在放電容量為100mAh g—1下的充放電曲線(xiàn)。
[0014]圖3為實(shí)施例1中0.05M NaI條件下，鈉空氣電池在放電容量為100mAh g—1下的充放電曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0016]實(shí)施例1
如圖1所示，本發(fā)明提供的含碘化鈉的鈉空氣電池包含:碳材料為正極，鈉塊(Na)為負(fù)極，往電解液中添加0.0lM碘化鈉。
[0017]0.01M/L碘化鈉的鈉空氣電池在放電容量為100mAh g—1時(shí)放電電壓平臺(tái)約2.2V，循環(huán)可達(dá)140次，放電曲線(xiàn)見(jiàn)附圖2。
[0018]實(shí)施例2
如圖1所示，本發(fā)明提供的含碘化鈉的鈉空氣電池包含:碳材料為正極，鈉塊(Na)為負(fù)極，往電解液中添加0.05M碘化鈉。
[0019]0.05M/L碘化鈉的鈉空氣電池在放電容量為100mAh g—1時(shí)放電電壓平臺(tái)約2.2V，循環(huán)可達(dá)150次，放電曲線(xiàn)見(jiàn)附圖3。
[0020]因此，碘化鈉是一類(lèi)新型添加劑，可以應(yīng)用于鈉空氣電池。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種添加碘化鈉的鈉空氣電池，其特征在于，正極為碳材料，負(fù)極為鈉塊，電解質(zhì)為醚類(lèi)或碳酸酯類(lèi)，其中添加有碘化鈉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碘化鈉的鈉空氣電池，其特征在于，單體電池為管式結(jié)構(gòu)。
3.—種如權(quán)利要求2所述的碘化鈉鈉空氣電池的制備方法，其特征在于，具體步驟為: 步驟1，正極制備:碳材料置于70°C _100°C下烘24h-48h，然后分散在無(wú)水乙醇中，將碳材料復(fù)合到泡沫鎳上，置于70°C _100°C下真空干燥24h-48h，得到碳材料與泡沫鎳復(fù)合物，作為正極材料； 步驟2，電解質(zhì)制備:電解質(zhì)于90°C _120°C下真空干燥24h-48h，醚類(lèi)或碳酸酯類(lèi)電解液用分子篩除水后配置0.5M/L -1M/L電解液，往電解液中添加碘化鈉，碘化鈉濃度范圍為ImM/L-lOOmM/L ； 步驟三，組裝電池:將上述碳材料正極，與添加碘化鈉的醚類(lèi)電解質(zhì)以及鈉負(fù)極組裝成管式電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碘化鈉鈉空氣電池的制備方法，其特征在于所述碳材料為碳納米管，石墨烯或者氮化石墨烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碘化鈉鈉空氣電池的制備方法，其特征在于所述電解質(zhì)為高氯酸鈉或六氟磷酸鈉。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種在鈉空氣電池中添加碘化鈉的新型電池。該電池包含碳材料正極，鈉塊（Na）負(fù)極，醚類(lèi)或碳酸酯類(lèi)為電解液。本發(fā)明所提出的添加碘化鈉的鈉空氣電池，在25℃，放電容量為1000mAh g-1條件下，可以循環(huán)140次以上，是一種新型的液態(tài)催化劑空氣電池。碘化鈉在電解液中溶解性好，在充電過(guò)程中，碘離子可以被氧化成碘單質(zhì)與放電產(chǎn)物Na2O2反應(yīng)，從而降低電池極化，大幅度改善鈉空氣電池的循環(huán)性能。
【IPC分類(lèi)】H01M8-02, H01M8-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104538653
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410784384
【發(fā)明人】尹文文, 傅正文
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月18日