[发明专利]一种基于固态正极的钠空气电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于固态正极的钠空气电池及其制备方法，属于电化学技术领域。该电池从负极到正极依次包括负极金属钠、有机电解液、固体电解质和固态正极。电池固态正极由导电碳材料、粘接剂、溶剂和碳酸钠复合而成。本发明具有较好的导电性，原料便宜，电化学稳定窗口宽，且能与固体电解质形成很好的稳定界面，有效地解决了液体电解液容易泄漏以及水系电解液易挥发等问题，同时对固态钠空气电池的开发及应用具有重要意义；本发明还可以在纯CO₂条件下运行，对于CO₂的利用和存储非常重要，一方面可以减少对传统化石燃料的依赖，同时起到了捕捉二氧化碳的作用；另一方面，对于人类移民火星也具有十分重要的意义。

技术领域

本发明涉及一种基于固态正极的钠空气电池及其制备方法，属于电化学技术领域。

背景技术

随着社会的快速发展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，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。

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引起了人们的高度关注。正因为在能量密度上的显著优势，钠空气电池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。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。同时对于碱性电解液的有机/水混合体系的钠空气电池不适合在CO₂条件下运行，碱性电解液会与CO₂发生电化学反应；对于酸性电解液的有机/水混合体系的钠空气同样大多不适合在CO₂条件下运行，会发生副反应生成副产物，严重影响电池的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种基于固态正极的钠空气电池及其制备方法，通过将电池正极的液体电解液更换为固态复合碳材料，固态复合碳材料从凝胶态变为全固态，不仅改善了电池界面问题，同时也从根本上解决了液体电解液的泄漏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充放电效果和循环性能，对钠空气电池的实际应用具有重要的意义。同时该电池还可以在纯CO₂条件下运行，对于CO₂的利用和存储非常重要，一方面可以减少对传统化石燃料的依赖，同时起到了捕捉二氧化碳的作用；另一方面，对于人类移民火星也具有十分重要的意义。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于固态正极的钠空气电池，从负极到正极依次包括负极金属钠、有机电解液、固体电解质和固态正极，负极金属钠厚度为0.5~1mm，面积为0.785cm²。

所述固态正极由导电碳材料、粘接剂、溶剂和碳酸钠制备而得。