[发明专利]一种添加碘化钠的钠空气电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体为一种于钠空气电池（Na-air）中添加碘化钠（NaI）的新型电池，该电池属于钠空气电池体系。

背景技术

传统的能源利用方式所带来的资源短缺、环境污染、温室效应等问题日渐突出，因此传统能源结构及其利用方式越来越难以适应人类生存发展的需要。高效、合理地使用不可再生能源而又保持环境和生态平衡的基本途径就是开发以这些资源为初级燃料的燃料电池技术。金属空气电池发挥了燃料电池的优点，它以空气中的氧气作为正极活性物质，金属作为负极活性物质，氧气通过气体扩散电极到达气-固-液三相界面与金属反应而放出电能。金属空气电池的原材料丰富、性价比高并且无污染，因此被称为是“面向21世纪的绿色能源”。  

金属锂、钠等是非常活泼的阳极材料，来源广泛、储量丰富、价格低廉、反应产物不会造成环境污染，是电池理想的电极材料。金属空气电池的正极活性物质是氧气，若在空气中使用，电池的正极材料在理论上是无限的，因此使电池具有能量密度高、性能稳定的特点。积极开发铝/镁空气电池是解决目前化学电源能量重量比偏低、价格能量比偏高、污染环境等问题的有效途径。在目前世界对能源、环保呼声日益高涨的大背景下，开展对金属空气电池的研究，符合国家的产业政策，满足经济发展和环保节能的要求，具有积极的意义。

钠-空气电池在电压约2.2伏的放电过程中，碱金属钠在碳材料的阴极上与空气中的氧元素结合成稳定的过氧化物，在充电过程中，钠离子又被还原成金属钠并释放出氧，充放电过程的效率达到80-90%，理论电能密度可以达到1600瓦/千克。与锂材料相比，虽然理论上锂电极可以达到更高的电能密度，但钠与氧结合成过氧化物的电化学过程比锂要更加稳定。因此，这种新型的钠-空气电池具有稳定性高、电压损失小的优点。钠材料也具有作为未来新型电池系统电极材料的前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种循环性能优良的钠空气电池及其制备方法。

本发明提出的钠空气电池循环次数可达140次以上。经研究表明NaI可以减小电池的极化并大幅度延长钠空气电池循环寿命，然而目前为止并没有关于NaI在钠空气电池中应用的报道。

本发明提供的碘化钠钠空气电池，正极为碳材料，负极为钠块（Na），电解质为醚类或碳酸酯类电解液，其中添加有碘化钠，碘化钠浓度范围为1mM/L-100mM/L。

本发明的单体电池为管式结构，如图1所示。

本发明提供的碘化钠钠空气电池，其制备具体步骤为：

步骤一，正极制备：碳材料置于70℃-100℃下烘 24h-48h，然后分散在无水乙醇中，将碳材料复合到泡沫镍上，置于70℃-100℃下真空干燥24h-48h，得到碳材料与泡沫镍复合物，作为正极材料；

步骤二，电解质制备：电解质于90℃-120℃下真空干燥24h-48h，醚类或碳酸酯类电解液用分子筛除水后配置0.5M/L -1M/L电解液，往电解液中添加碘化钠,碘化钠浓度范围为1mM/L-100mM/L；

步骤三，组装电池：将上述碳材料正极，与添加碘化钠的醚类电解质以及钠负极组装成管式电池。

本发明中，所述碳材料优选碳纳米管，石墨烯或者氮化石墨烯等。

本发明中，所述电解质优选高氯酸钠或六氟磷酸钠等。

本发明中，碘化钠（碘化钠浓度范围为1mM/L-100mM/L）直接添加到钠空气电池电解液中。电化学性能测试采用两电极组成的电池系统，其中，碳材料用作空气电极，高纯钠块用作负极，电解液为碳酸酯类或醚类。电池装配在充满干燥空气的手套箱内进行。电池的充放电实验在蓝电（Land）电池测试系统上进行。

本发明中，添加碘化钠后的钠空气电池具有良好的充放电性能。第一次充放电反应的放电平台出现在2.2V（相对于Na⁺/Na），充电平台在3.2V（相对于Na⁺/Na），而且在之后的各次充放电过程中，充放电平台变化很小，在放电容量1000mAh g^-1下可以进行140次以上循环，电池极化大幅度下降。上述性能表明，碘化钠是一类新型添加剂，可以应用于钠空气电池。

附图说明

图1为实施例1 的钠空气电池管式结构示意图。

图2为实施例1中 0.01M NaI条件下，钠空气电池在放电容量为1000mAh g^-1下的充放电曲线。