论文总字数：25011字

摘 要

从上世纪80年代以来，钠/金属氯化物电池(ZEBRA电池)因具有高比能量、高功率、低成本、循环寿命长、安全性高、环境友好等诸多特点，受到了广泛关注，且至今仍在被研究。但因传统ZEBRA电池中采用的β"-Al₂O₃固体电解质（BASE）在260 ℃以上才表现出较好的离子电导率（＞0.2 S/cm），而液体电解质NaAlCl₄的熔点高达156.7 ℃，所以使ZEBRA电池的运行温度较高（270~350 ℃）。高温运行带来了一系列问题，如需要额外的热管理装置，从而降低了电池组的比能量、比功率，增加了电池成本；一旦电池短期停用导致其内部温度降低，重新启动电池时需要耗时12~15 h对电池加热以使之达到运行条件等等。而室温ZEBRA电池，虽然以离子液体电解质（IL）取代了“BASE和NaAlCl₄液体电解质”，以使ZEBRA电池可在室温下运行，但其研发过程中遇到了一个最主要的问题，几乎所有离子液体都会与负极金属钠发生化学或电化学副反应。

为了使性能优良的ZEBRA电池能得到更广泛的应用和发展，解决传统高温ZEBRA电池和室温ZEBRA电池的各项问题显得尤为重要。据此，本论文提出了离子液体中温化的ZEBRA电池设计。该电池与传统ZEBRA电池相比，采用超薄BASE（厚度lt; 500 μm）和室温IL分别作为固态电解质和正极电解液，其电池表达式为(-)Ni(s)/Na(l)/β"-Al₂O₃(s)/RTIL(l)/NaCl(s)/MCl₂(s)/Ni(s)( )。同时，本论文针对降低ZEBRA电池运行温度的关键材料BASE和室温IL进行了初步研究。

关键词: 中低温ZEBRA电池 离子液体电解质

Abstract

Since the 1980s, the sodium / metal chloride battery (ZEBRA battery) has been widespread concern, and has still being studied because of its high energy density, high power, low-cost, long cycle life, safety, environmental friendliness and many other features. But the ZEBRA batteries used in conventional β "-Al2O3 solid electrolyte (BASE) only show good ionic conductivity (gt; 0.2 S / cm) when it is above 260 ℃, while the melting point of liquid electrolyte NaAlCl4 is as high as 156.7 ℃, which make ZEBRA battery run high temperature (270 ~ 350 ℃). High temperature operation has brought a range of issues, such as the need for additional thermal management device, thereby reducing the specific energy and specific power of the battery pack, and increasing the cost of the battery; Once the battery is short-term disabled and causes decrease of internal temperature, when restarting batteries, it will cost 12 ~ 15 hours to heat the battery so as to meet the operating requirements, etc. On the other hand, although room-temperature ZEBRA batteries replace the "BASE and NaAlCl4 liquid electrolyte” with ionic liquid electrolyte (IL), which enables ZEBRA battery can run at room temperature, yet the development process encountered a major problem that almost all ionic liquid will have chemical or electrochemical side reactions with negative metallic sodium.

In order to make the excellent performance of the ZEBRA batteries be more widely used and development, solving the problems of the traditional high-temperature battery and room temperature ZEBRA battery is of great importance. Accordingly, this paper presents the design of intermediate-temperature ionic liquid of the ZEBRA battery. Compared with traditional ZEBRA batteries, this kind of battery respectively uses ultra-thin BASE (thickness lt;500 μm) and room temperature IL as a solid electrolyte and anode electrolyte. It’s battery expression is (-) Ni (s) / Na (l) / β "-Al2O3 (s) / RTIL (l) / NaCl (s) / MCl2 (s) / Ni (s) ( ). Meanwhile, this paper does a preliminary study on the key material BASE and room-temperature IL when reducing operating temperature of ZEBRA battery.

Keywords: intermidiate temperature ZEBRA battery; ionic liquid electrolyte

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 引言 2

1.2 ZEBRA电池工作原理及特点 3

1.2.1高温ZEBRA电池 4

1.2.2 室温ZEBRA电池 6

1.3 离子液体电解质 6

1.3.1 离子液体简介和分类 6

1.3.2 离子液体制备方法 8

1.3.3 离子液体在电化学中的应用 9

1.4 本论文研究意义及内容 10

第二章 实验仪器和方法 11

2.1 实验试剂和实验仪器 11

2.1.1 实验试剂 11

2.1.2 实验仪器 11

2.2离子液体合成步骤 11

2.3 全电池 13

2.3.1 BASE预处理 13

2.3.2 正极材料制备 13

2.3.3 全电池组装 14

2.3.4 全电池充放电测试 14

第三章 以EMIM为阳离子的离子液体 15

3.1 1-甲基-3-乙基咪唑氯铝酸盐离子液体 15

3.1.1 MEIC-AlCl₃体系离子液体表征 15

3.1.1.1 成分分析 15

3.1.2 中性IL中的电化学行为 18

3.1.2.1 中性IL不同温度下电导率 18

3.1.2.2 各正极材料在中性IL中CV 19

3.1.3 中低温Na/CuCl₂电池充放电性能研究 21

3.1.4 本节小结 22

3.2 1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐离子液体……………………23

3.2.1 该离子液体不同温度下电导率……………………………… ……23

3.2.2 各正极材料在IL中CV图谱………………………………………24

3.2.3 中温钠电池充放电性能研究………………………………………24

3.2.4 本节小结……………………………………………………………26

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2展望 27

参考文献……………………………………………………………… 28

致谢…………………………………………………………………………………………… 30

1. 绪论

课题背景：能源、材料以及信息是人类社会得以生存和发展的三大主要支柱，人类社会想实现可持续发展战略，必须发展新材料和新能源技术，保护自然环境与自然资源。在目前使用的各种储能电池中，大容量储能电池因其具有功率密度高、能量密度高、循环寿命长以及成本低等优点受到广泛关注，其中钠电池更以其优越的性能和丰富的原料资源，逐渐引起各国研发人员的重视。它具有运行寿命长、开路电压高、运行温度范围较宽、比能量高、无自放电现象、便于现场安装与维护以及与外界环境友好等许多优点，是大容量储能电池的最好选择。钠电池受到了国外多个国家和地区的关注，并都积极开展了钠电池的研究和应用。

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