[发明专利]一种电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，属于电池和电容器领域。

背景技术

社会经济在高速发展，人类对能源的依存度也在不断提高。据资料统计，现在世界每年能源消耗总量的70％来源于化石能源(石油、煤、天然气)。但化石燃料的燃烧会产生大量的有害物质，不仅会污染环境，还严重威胁着人类社会的生存与发展。所以，人类社会面临的首要难题是改变不合理的能源结构，同时要大力开发清洁的能源，来逐步代替化石能源。发展太阳能、风能、地热能、潮汐能这类可再生的清洁能源成为当今各个国家关注的热点。可再生能源受天气及时间段的影响较大，具有明显的不稳定、不连续和不可控等特点，需要开发和建设配套的储能装置来保证发电、供电的连续性和稳定性。因此，大规模储能技术是大力发展太阳能、风能等可再生能源利用和智能电网的关键。

当前主流的储能技术主要包括物理类储能和电化学储能，其中电化学储能具有效率高、投资少、使用安全、应用灵活等优点，得到了很广泛的研究与应用，具有良好的发展前景。目前，锂离子电池是发展前景很好的高能电池体系，具有能量密度大、放电电压高、自放电率低、环境友好、循环寿命长等优点。但是，随着锂离子电池的大规模应用，锂的需求量会越来越大，由于地壳中有限的储量，导致锂材料的价格会越来越高。由于钠与锂处于同一主族，具有相似的电化学特性，而且钠在地壳中的储量丰富，约占2.74％，是第六丰富元素，钠基电池有望成为锂离子电池的替代选择。作为新一代的储能体系，同锂离子电池一样，安全性问题是我们关注的重点。选择不同的钠盐和有机溶剂及对电解液进行优化，都会对电池的使用期限、安全性能和循环性能产生一定的影响。对于锂离子电池而言，有机溶剂类的电解液已在商品化的电池中取得了实际的应用，但是安全性问题一直是制约锂离子电池发展的难题。这主要是因为有机溶剂的闪点比较低，易燃，导致电池在过充、过放等极端情况下发生爆炸或燃烧等安全问题。

因此，研究和开发安全、经济、高性能的水系钠离子储能装置具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有储能装置技术的不足，本发明的目的在于提供一种可应用于储能市场领域、绿色安全的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池。

本发明的技术方案是：

一种电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，包括正极、负极、隔膜和水相电解液，负极采用高比表面积的电容性材料，电容性材料选自活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维和介孔碳中的一种或两种以上；而且，负极中还包含稀土化合物作为抑制析氢添加剂，其重量含量不大于10％。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，电容电池在0～1.8V的工作电压区间，充放电电流为40mA/g的情况下，首次库仑效率为85～95％。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，稀土化合物选自氧化铈、硝酸铈、硫酸铈、氯化铈、硝酸镧、氯化镧的一种或两种以上混合物。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，正极的活性材料选自LiMn₂O₄、Na_0.44MnO₂和λ-MnO₂中的至少一种。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，电解液为钠盐水溶液，且钠离子浓度为0.1～5mol/L。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，钠盐选自硫酸钠、硝酸钠、卤化钠、碳酸钠、磷酸钠、醋酸钠、氢氧化钠、高氨酸钠中的一种或两种以上。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，电解液还加入缓冲电解质，用于稳定电解液长期工作后的pH值，缓冲电解质为碱金属离子的强碱弱酸盐。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，负极材料中，还加入重量含量为1～10％的导电剂和重量含量为1～10％的粘结剂，导电剂为石墨、炭黑或乙炔黑，粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

所述的电容负极/嵌入正极型水系钠离子电容电池，正极材料中，还加入重量含量为1～10％的导电剂和重量含量为1～10％的粘结剂，导电剂为石墨、炭黑或乙炔黑，粘结剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

本发明的优点及有益效果是：

本发明的水系钠离子电容电池，具有电化学能量高、使用寿命长、循环性能好等特点，充电上限电压接近2.0V时仍可以保持高的库伦效率，且可以保持良好的电化学循环性能。

具体实施方式