摘 要

钠硫电池具有高比能量、高比功率、低成本、长循环寿等优点因而受到了人们的关注。传统钠硫电池的原理是通过在高温下（300-350 ℃）钠离子穿过钠硫固体电解质而储能的，因为钠硫固体电解质只有在高温下才能达到理想电导率。钠硫电池有很高的能量密度，在高温下正极硫和负极钠都是液态，但是由于液态硫的腐蚀性比较大，所以对正极集流体的选择比较苛刻。然而电池高温运行会带来一系列问题，如需要额外的热管理系统，加热需要较长的时间才能达到所需温度，高温运行伴随着有安全隐患。为了使钠硫电池得到广泛应用，本文针对钠硫电池高温运行带来的问题，提出了室温下化运行的研究，制备全固态钠硫电池。由于高温钠硫电池的电池结构必须使用β"-Al₂O₃固体电解质，所以要想实现室温化，必须改变原有只有在高温下电导率才能达到理想值的固体电解质β"-Al₂O₃。所以本文我们合成了一种在室温下电导率较高的聚合物电解质来代替其原有的固体电解质β"-Al₂O₃，组装了Na/S纽扣电池（2032），测试了其性能。

关键词：Na/S电池 离子液体 聚合物电解质 室温化

PVDF-HFP-based Polymer Electrolyte Replied in Sodium-sulfur Batteries at Room Temperature

Abstract

Na/S battery attracts more and more people’s attention because of its advantages such as high specific energy, high specific power, low cost and long cycle life.As Na/S solid electrolyte can only reach the ideal conductivity at high temperature, the principle of traditional Na/S battery is that sodium ions go through the solid electrolyte at high temperature（300-350 ℃）for energy storage. Na/S battery has high energy density. At high temperature, both positive(S) and negative(Na) sodium are liquid. Selection of the positive current collector are relatively harsh because of the large corrosion of liquid sulfur. However, the high temperature operation will bring a range of issues to Na/S battery like the need for additional thermal management system and more time heating to reach the desired temperature together with security risks. In order to promote Na/S battery and make it widely used, research of operation at room temperature and the preparation of solid-state sodium-sulfur battery are presented against problems caused by operating at high temperature in this paper.Due to the high temperature sodium-sulfur battery cell structure using β"-Al₂O₃ solid electrolyte, Only we have to change the conductivity at high temperatures to achieve the desired value of the solid electrolyte(β"-Al₂O₃ ) so as to achieve the operation at room temperature. So in this paper we synthesize a high conductivity polymer electrolyte at room temperature instead of its original solid electrolyte(β"-Al₂O₃ ) , assembled Na / S button batteries (2032), tested for their performance.

Key words: Na/S battery; ionic liquids; polymer electrolyte; operation at room temperature

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 室温钠-硫电池工作原理 2

1.2.1室温钠-硫电池正极与负极 3

1.2.2 室温钠-硫电池PVDF-HFP基聚合物电解质 3

1.3 室温钠-硫电池研究现状 5

第二章 实验部分 10

2.1 前言 10

2.2 主要实验试剂和设备 10

2.2.1 实验试剂 10

2.2.2 实验设备 11

2.3 材料的表征 12

2.3.1 XRD分析 12

2.3.2 SEM分析 12

2.4 实验流程 12

2.4.1 硫碳复合正极的制备 12

2.4.2 凝胶聚合物电解质的制备 13

2.5 电化学性能测试 13

2.5.1主要内容 13

2.5.2 充放电循环测试 13

2.5.3 循环伏安测试 13

第三章 实验结果与讨论 15

3.1 XRD分析 15

3.2 电化学性能测试 16

3.3 循环伏安分析 18

3.4 聚合物电解质形貌分析 18

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

当今世界，随着化石燃料的过度使用，地球上资源的更新循环也跟不上人类发展的速度，以及日趋严重的环境问题，这都促使人们不得不重视资源的利用，并寻找可再生资源来逐步减缓化石燃料使用压力，甚至最终达到替代的目的。诸如太阳能、风能、地热能、潮汐势能，这些都是可再生能源。但是这些能源并不稳定，在人类现有技术支持下，直接使用这些能源效率太低，而且成本巨大。因此，就需要储能设备先将光能、风能等能源转化为稳定的可传输能源——电能，提高能源使用的可靠性和效率。在各种各样的电能存储技术中，电化学储能系统或电池能够不需要涉及卡诺循环而可逆的储存和释放电能，因而具有很高的效率。锂硫电池硫源分布广，成本低，环保可靠，比容量大（1675mAh·g^-1）。但是，锂金属存在安全问题.与金属锂相比，金属钠分布更丰富，价格更低，所以钠电池在最近受到了更多的关注。而其中有一种电池，在室温下工作，以硫作正极，钠作负极，中间为凝胶聚合物电解质薄膜，只允许钠离子往复通过，即为室温钠-硫电池,属于Na-Beta电池的一种。Na/S电池拥有比能量高、成本低廉等的特点，在大型储能设备方面很有发展空间。

钠硫电池在放电过程中，负极上的钠单质分解成钠离子和电子，电子通过外部电路由负极到达正极，然而钠离子是穿过固体电解质 β-Al₂O₃与负二价的硫离子^-结合生成多硫化钠的合成物，在充电时电极反应与放电相反。单质钠和硫可发生强烈的化学反应，所以两种物质必要用固体电解质相隔离开，于此同时固体电解质又要满足极高的钠离子通透性。现如今使用Na-β-Al₂O₃作为电解质材料，仅仅是用在300℃之上时，此材料才具有良好的导电性能^[1]。因而，通过将钠硫电池的运行温度保持在300℃~350℃来维持电池运行正常，然而此温度下运行降低了钠硫电池在用于载具动力电池时的安全性能，破坏固体电解质，从而产生安全隐患。而使用液态电解质制成的室温钠硫电池，则受硫电化学活性低的限制，放电过程中产生的多硫化物易溶于电解液等缺点，含有硫正极使用率低、循环性差等问题，进而大大影响电池的实际使用性能。如Na/PVDF/S电池在0.288mA/cm²电流密度下显示出392mAh/g的高放电容量，在20次循环后为36mAh/g。25℃操作下Na/PVDF/S电池的循环性能比高温下钠/硫电池的更差。室温钠-硫电池相对具有更高安全性，可在较低温下运行，拥有过充电保护功能。负极钠在室温下具有较高活泼性，正极硫和电解质薄膜需进一步加工，以便达到钠-硫电池室温正常工作的要求。

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