[发明专利]固态钠二氧化碳电池

说明书

一种固态钠二氧化碳电池，其包括正极、负极、以及设置于正极与负极之间的无机固态电解质，其中该正极用于催化钠离子与二氧化碳的反应，该负极包括钠及非钠材料。

技术领域

本发明关于一种固态钠二氧化碳电池，尤其关于一种使用特定复合钠金属材料作为负极的固态钠二氧化碳电池。本发明的固态钠二氧化碳电池可实现室温充放电。

背景技术

金属空气电池乃近年来的新兴研究重点之一，其结合了传统干电池与燃料电池的特性并以反应性气体（例如，氧气）作为电池的反应物。相较于一般电池，金属空气电池具有重量轻且能量密度高的优势。一般而言，于金属空气电池中，金属为阳极（负极），阴极（正极）为空气扩散电极，且电解质为盐类溶液，通过氧化还原反应产生电位差而提供电能。

根据巴黎气候协议的要求，替代传统化石能源的清洁能源与温室气体利用技术已成为碳中和的重要技术手段。利用二氧化碳温室气体产生电能的金属空气电池综合了清洁能源生产与温室气体利用的优势而成为绿色能源的研究重点。此外，随着锂离子电池的广泛应用，碳酸锂价格逐年上涨。因此，目前也积极寻求可替代锂来制造金属空气电池的其他金属元素。

钠二氧化碳电池是利用温室气体二氧化碳产生电能，为近年来新兴研究热点之一。相比于钠离子电池，钠二氧化碳电池具高能量密度的优势。由于地球上钠资源分布均匀且储量大，钠二氧化碳电池的成本相比锂二氧化碳电池更加低廉。一般而言，于钠二氧化碳电池中，钠金属为阳极（负极），阴极（正极）为空气扩散电极，电解液为含有钠盐的溶液，通过氧化还原反应而提供电能。

然而，金属离子与液态电解质的副反应及所产生的金属枝晶（dendrite）可能导致电池的失效。此外，钠二氧化碳电池通常为开放式的电池体系，液态电解质的挥发也可能导致电池的失效。并且，金属枝晶所致的短路导致大量热能释放，若液态电解质挥发为有机气体，则有发生爆炸的风险。

上述问题可通过以无机固态电解质来取代液态电解质而得到改善，无机固态电解质不具有可燃性且其所具备的阻燃性可进一步提升钠二氧化碳电池的热稳定性。然而，钠金属阳极与固态电解质的界面接触不良，导致电池的循环稳定性下降。而现有技术中并无任何解决所述界面接触不良问题的策略。常用于修饰锂金属阳极的界面合金技术并不适用于钠金属阳极，因为钠离子半径比锂离子更大，且钠合金界面层中钠离子的迁移会导致其体积变化，改变其界面接触面积而导致电池的循环稳定性变差。

发明内容

鉴于前述问题，本发明提供一种基于无机固态电解质的钠二氧化碳电池，其中使用特定钠复合金属材料做为负极（阳极），可提升负极与无机固态电解质的界面的润湿性与界面接触表现，从而改善上述现有的金属空气电池所存在的循环稳定性差的问题。

因此，本发明的一目的在于提供一种固态钠二氧化碳电池，其包括正极、负极、以及设置于正极与负极之间的无机固态电解质，其中该正极用于催化钠离子与二氧化碳的反应，该负极包括钠及非钠材料。

于本发明的部分实施方案中，该非钠材料选自以下群组：铝、锡、金、银、硅、软质碳、硬质碳、石墨、碳奈米管、碳纤维、煤、沥青、氮化碳、氮化硼、二硫化钼、黑磷、MXene（二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物）、碳量子点、及其组合。较佳地，该非钠材料选自以下群组：软质碳、硬质碳、石墨、碳奈米管、碳纤维、煤、沥青、氮化碳、氮化硼、二硫化钼、黑磷、MXene、碳量子点、及其组合。

于本发明的部分实施方案中，该无机固态电解质选自以下群组：Na₃Zr₂SiPO₁₂、Na₁₁Sn₂PS₁₂、β-Al₂O₃、及其组合。