[发明专利]一种基于离子液体凝胶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离子液体凝胶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、离子液体凝胶正极。电池正极的离子液体凝胶能同时传导电子和离子，且凝胶不易挥发、不易泄漏，电化学稳定窗口宽，且能很好的粘于固体电解质上，有效地解决了液体电解液容易泄漏和水系电解液易挥发的问题。本发明电池在空气条件下充放电性能较纯O₂或纯CO₂条件下的充放电效果更好，更利于钠空气电池的实际应用。

技术领域

本发明涉及一种基于离子液体凝胶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，传统化石能源的短缺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，促使人类积极寻求更加环保的可再生能源。在能源领域内，可再生能源不仅被视为解决环境问题的有效途径，从长远的角度看，也极有可能是满足人类能源需求的最重要解决方案之一。能源多样化，尤其是风能、太阳能和海洋能等可再生能源的有效利用逐渐为人们所关注。但将这些可再生能源并入到电网中有一个大障碍，即可再生资源发电具有波动性、间歇性与不可预测性，随着其发电并网比例上升，电网波动性会显著增加，稳定性降低，而且成本将大幅度提高。因此，推进可再生能源发电技术的普及应用，建立包括高效储能技术在内的智能电网，提高对可再生能源发电的兼容量和能源利用效率是解决我国能源安全、实现节能减排目标的重要途径，是国民经济可持续发展的重大需求。

近年来，储能电池是大力发展储能系统的主要技术，全世界各国政府都在大规模发展储能技术。而锂离子电池作为市场上较为成熟的储能技术，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。但锂离子电池的容量极大地受到了其正极材料的制约，因此发展高能量密度的二次电池迫在眉睫，金属-空气电池因具有极高的理论能量密度而受到了广泛的关注。钠元素作为仅次于锂的第二轻的金属元素，在地壳中丰度高达2.3 %～2.8 %。因此相对于其它金属元素，将钠应用于二次电池储能技术领域，具有巨大商业价值和可持续利用的潜力。其中，钠-空气电池具有能量效率高（过电位较低）、循环性能好（超氧化钠的稳定性较好）、价格更便宜的优点（钠元素的储量丰富），极有潜力在电动汽车上应用。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和有机/水混合体系。然而，有机体系和有机/水混合系的钠－空气电池都存在一定的缺点和不足。首先，两种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。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于离子液体凝胶正极的钠空气电池，通过将电池正极的液体电解液更换为离子液体凝胶，从根本上解决了液体电解液泄漏的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更好的充放电效果。

一种基于离子液体凝胶正极的钠空气电池，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、离子液体凝胶正极；负极放电时提供电子，有机电解液处于金属钠与固体电解质之间，固体电解质用于传导Na⁺和隔离有机电解液和离子液体凝胶正极；

所述离子液体凝胶正极由石墨类导电剂、咪唑基离子液体和碳纸制备而得；

所述石墨类导电剂为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯、炭黑的一种或多种；

所述咪唑基离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑硼氟盐、1-丁基-3-甲基咪唑磷氟酸盐、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-辛基-3-甲基咪唑六氟合磷、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的一种或多种；