碳管与TEGDME的接触角。图中表明：与乙醇 超声2小时后的碳管与TEGDME为18.1°的接触角，拥有相对一般的接触角。
[0054] 图6为碳纳米管与TEGDME超声5分钟后的碳纳米管与TEGDME的接触角。图中表明： 与TEGDME超声5分钟后的碳管与TEGDME为18.0°的接触角，拥有相对较好的接触角。
[00对图7为碳纳米管与TEGDME超声2小时后的碳纳米管与TEGDME的接触角。图中表明： 与TEGDME超声2小时后的碳管与TEGDME为13.8°的接触角，拥有相对最优的接触角。
[0056] 3)二氧化碳-空气电极的制备
[0057] 在多孔结构的正极催化剂-TEGDME分散液中添加聚偏氣乙締(PVdF)作为正极催化 剂与集流体的粘结剂，偏氣乙締的添加量为分散液质量的5%，然后将分散液喷涂在溫度 400°C、400目的集流体上，分散液中多孔结构的正极催化剂与TEGDME的用量比为20mg: IOmL,碳纳米管通过分子间力附着在儀网表面，制得负载量为化g的二氧化碳-空气电极。 [005引图1为化-C化电池空气电极碳纳米管SEM。图中表明：碳纳米管正极催化剂具有丰 富的堆积孔及大比表面，利于放电产物生长。
[0059] 图2为化-0)2电池空气电极，集流体负载碳纳米管侧面SEM。图中表明：碳管层W大 约0.5微米的厚度均匀的负载在集流体表面。
[0060] 图10为通过TEGDME对碳纳米管进行表面改性，添加5wt %粘结剂的充放电图。图11 为通过TEGDME对碳纳米管进行表面改性，不添加粘结剂的充放电图。对比图10和图11可见： 首周在1.6V左右出现放电平台，2.8V开始出现充电平台。由于粘结剂钢酪的加入使得电池 电阻增大，导致其放电电压较不添加粘结剂时低0.7V。
[0061 ] 4)Na-C〇2室溫二次电池的制备
[0062] 将弹片、垫片、钢片、隔膜依次放入负极壳内，滴加30化电解液，放置制备好的二氧 化碳-空气电极，然后安装多孔正极壳，最后用封口机W5MPa压力压实。电池组装过程均在 充满Ar气的手套箱中进行。
[0063] Na-C〇2室溫二次电池的充放电测试
[0064] 测试电压范围为1.5-4.0V。
[0065] 图8为该电池体系IM NaClCk/TEGMDE电压窗口（Ar气氛围中测试）。图中表明： TEGDME电解液体系在IV到4.5V是电化学稳定的。
[0066] 图9为钮扣化-0)2电池在IA g-i电流下，截取SOOmAh g-i充放电曲线。从图线中可W 看出，首周在2.3V出现放电平台，3.2V出现充电平台。在电流密度为4Ag^下得到4000mAh g ^的比容量(电压>2V)。
[0067] 实施例2:
[0068] 一种所述化-0)2室溫二次电池的制备方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在 于:用石墨締取代碳纳米管。
[00例图12为化-(X)2电池在IAg-I电流下，截取SOOmAh g-1充放电曲线。从图线中可W看 出，首周在2.2V左右出现放电平台，3. IV出现充电平台。
[0070] 实施例3:
[0071] 一种所述化-0)2室溫二次电池的制备方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在 于:用碳60球締取代碳纳米管。
[00巧图13为钮扣化-0)2电池在IAg-I电流下，截取SOOmAh g-i充放电曲线。从图线中可W 看出，首周在1.4V左右出现放电平台，3.5V出现充电平台。
[0073] Na-〇)2电池是一种全新的储能体系，基于活性物质的质量Na-〇)2电池拥有12000Wh kg-i的功率密度。基于二氧化碳和钢的质量Na-C化电池具有IlOOWh kg-i的理论功率密度。近 3 倍于裡离子电池的理论能量密度。（I3;ruce,P.G. !F'reunberger.S.A.;化 rdwick,L.J.; Tarascon,J.-M.,Li-〇2and Li-S batteries with high energy storage . Nature Materials 2011,11(1),19-29.)
[0074] Na-C〇2室溫二次电池的检测：
[0075] 图14为使用蓝电测试系统（武汉)对钮扣化-0)2电池进行截取容量1000 mAh g-i的 恒流充放电测试图。图中表明：在截取比容量1000 mAh g可寸，化-(X)2电池可W稳定循环200 周期。在钮扣化-(1)2电池前200圈循环中，放电电压大于2V，充电电压小于4V，均在电解液的 电压窗口范围内。
[0076] 图15为使用蓝电测试系统（武汉)对钮扣化-0)2电池进行截取容量2000mAh 的 恒流充放电测试图。图中表明：在截取比容量2000mAh 时，化-(X)2电池可W稳定循环200 周期。在前200圈循环中，放电电压大于2V，充电电压小于4V，均在电解液的电压窗口范围 内。
[0077] 图16为使用蓝电测试系统（武汉)对钮扣化-0)2电池进行截取容量2000mAh 的 恒流充放电测试图。图中表明：在充放电电流密度为IAg节lj4Ag可寸，电池充放电过电位有 所增加，但放电电压大于2V，充电电压小于4V，均在电解液的电压窗口范围内。
[007引图17为充放电电极片XRD表征，检测放电产物碳酸钢。图中表明：通过对放电产物 的X射线衍射分析，得到碳酸钢的衍射信号。证明化-(X)2电池在放电过程中产生了碳酸钢， 验证了该电池反应3C化+ 4N团一 2狄娘化十C。
[0079] 图18为排除碳材料电极对检测电池放电产生的碳的影响，由银纳米线组装了 Na-〇)2 电池正极。图中表明:通过对放电产物的拉曼光谱分析，得到碳酸钢及碳的拉曼信号。证明了 Na-C〇2电池在放电过程中产生了碳酸钢和碳，验证了该电池反应3CQ2十4側一 2N化CCb + C。
[0080] 图19为排除碳材料电极对检测电池放电产生的碳的影响，由银纳米线组装了化-0)2电池正极，通过电子损失能谱化化S)检测到放电产物碳。图中表明：化-0)2电池在放电过 程中产生了碳，验证了该电池反应3['化+ 4Na > 2Na:a); -+? C,.
[0081] 图20为充电过程中二氧化碳的析出测试。图中表明：在电池充电过程中，二氧化碳 生成量，与按照3:C02十:值也?一 ZNaiCOg + C化学计量数计算出的理论生成量一致。最终证 实了该电池反应。
[0082] 本发明的目的在于提供一种新型、室溫可逆、超大容量的储能体系，电能来源于消 耗溫室气体二氧化碳。该储能体系在满足人们能源需求的同时保护生态环境，实现可持续 发展。该二次电池具有超大容量、室溫可充、环境友好、低成本、大倍率和长寿命的特点。特 别指出的是，与目前已经报道的裡离子电池相比，本发明的电池体系具有制备方法便捷，原 料来源广泛，成本低廉。本发明可W广泛用在动力电池及大规模储能领域中。由于本发明能 够高效的利用溫室气体二氧化碳。因此，在储能与环保两个领域中，它都具有重大的应用价 值，将来有望成为商业化的新电池体系。
【主权项】
1. 一种Na-C02室温二次电池，其特征在于：由负极壳、弹片、垫片、钠片、隔膜、电解液、二 氧化碳-空气电极和多孔正极壳组装而成的钮扣电池，其中钠片为负极，二氧化碳-空气电 极为正极，二氧化碳-空气电极由具有多孔结构的正极催化剂与集流体组成;弹片为不锈钢 片，用于电池内部空间填充以提高电池密闭性;垫片为不锈钢片；隔膜位于负极钠片与正极 集流体之间，用于阻隔电子传输；电解液为NaCKk/四乙二醇二甲醚(TEGDME)溶液，电解液 浸润于隔膜中。2. 根据权利要求1所述Na-C02室温二次电池，其特征在于:所述正极催化剂为碳纳米管、 碳60球烯或还原石墨;集流体为泡沫镍、400-1000目的镍网或铝网，集流体直径为14mm;隔 膜为聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯依次叠加构成的三层复合膜(Celgard系列膜)或多孔隙玻璃纤 维纸，其中多孔隙玻璃纤维滤纸的直径为16mm，厚度为0.3mm，孔隙率为92-98% ;NaCl〇4/四 乙二醇二甲醚(TEGDME)溶液的浓度为lmol I/1;钮扣电池的尺寸为直径20_、厚3.2mm，多孔 正极壳的直径为20mm，多孔正极壳上均布直径为1mm的19个孔。3. 根据权利要求1所述Na-C02室温二次电池，其特征在于:所述二氧化碳-空气电极的制 备方法，包括以下步骤： 1) 将碳纳米管、碳60球烯或还原石墨在120°C、-0.1 Mpa下干燥2小时； 2) 将干燥后的碳纳米管、碳60球烯或还原石墨与四乙二醇二甲醚（TEGDME)混合，在 40KHz下超声反应30min，制得多孔结构的正极催化剂； 3) 在多孔结构的正极催化剂-TEGDME分散液中添加聚偏氟乙烯(PVdF)作为正极催化剂 与集流体的粘结剂，偏氟乙烯的添加量为分散液质量的5%，然后将分散液喷涂在温度300-600 °C的集流体上，分散液中多孔结构的正极催化剂与TEGDME的用量比为20mg: 10mL，制得 二氧化碳-空气电极。4. 一种如权利要求1所述Na-C02室温二次电池的制备方法，其特征在于:将弹片、垫片、 钠片、隔膜依次放入负极壳内，滴加30yL电解液，放置制备好的二氧化碳-空气电极，然后安 装多孔正极壳，最后用封口机以5MPa压力压实。
【专利摘要】一种Na-CO2室温二次电池，由负极壳、弹片、垫片、钠片、隔膜、电解液、二氧化碳-空气电极和多孔正极壳组装而成的钮扣电池，其中钠片为负极，二氧化碳-空气电极为正极，二氧化碳-空气电极由具有多孔结构的正极催化剂与集流体组成；弹片为不锈钢片，用于电池内部空间填充以提高电池密闭性；垫片为不锈钢片；隔膜位于负极钠片与正极集流体之间，用于阻隔电子传输；电解液为NaClO4/四乙二醇二甲醚溶液，电解液浸润于隔膜中。本发明的优点是：该二次电池具有超大容量、室温可充、环境友好、低成本、大倍率和长寿命的特点；其制备方法操作简单、可控性强、一致性好，有利于大规模生产。
【IPC分类】H01M12/08
【公开号】CN105633511
【申请号】CN201610211009
【发明人】陈军, 李子凡, 胡小飞, 孙建超, 赵庆, 陶占良, 梁静
【申请人】南开大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年4月6日