一种钠-二氧化碳电池用工作电极及其制备方法与流程

本申请涉及电极材料，尤其涉及一种钠-二氧化碳电池用工作电极及其制备方法。

背景技术：

1、钠-二氧化碳电池是以二氧化碳为正极气体、并采用催化正极催化二氧化碳反应产生电能的一种新型的能源存储和转换装置，电池的反应为：

2、

3、由于钠-二氧化碳电池优良的能源存储特性，在太空探索（火星、金星的大气中含有丰富的二氧化碳含量）、工业尾气处理等领域有着广阔的应用潜力。然而，当前正极相关的催化材料并不多，其中由于碳基钌类催化剂所具有优异的催化活性和电化学性能而得到了广泛的认可。

4、但是目前碳基催化剂的催化活性较差，且整体电池的极化电压过大，降了电池的整体性能和循环寿命，因此如何提供一种钠-二氧化碳电池用工作电极，以具备高催化活性的同时还能降低电池的极化电压，是目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本申请提供了一种钠-二氧化碳电池用工作电极及其制备方法，以解决现有技术中钠-二氧化碳电池中工作电极的催化活性较差且工作电极的极化电压过高而降低了电池整体性能和循环寿命的技术问题。

2、第一方面，本申请提供了一种钠-二氧化碳电池用工作电极，所述工作电极包括基底和负载在所述基底上的催化剂，以质量分数计，所述催化剂的原料包括：钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料、粘结剂和分散剂；

3、其中，所述钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料和所述粘结剂的质量之比为85～95:15～5，所述钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料和所述分散剂的质量体积之比为5～19:1。

4、可选的，所述钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料中钌纳米颗粒与碳纳米材料的质量之比为1:1～2。

5、可选的，所述碳纳米材料包括碳纳米管、石墨烯和碳纳米片中的至少一种。

6、可选的，所述基底包括片状碳材料或金属泡沫材料。

7、可选的，所述片状碳材料包括碳纸、碳布和碳毡中的至少一种。

8、可选的，所述金属泡沫材料包括泡沫镍和/或泡沫铁。

9、可选的，所述粘结剂包括聚偏二氟乙烯。

10、可选的，所述分散剂包括n-甲基吡咯烷酮。

11、第二方面，本申请提供了一种制备第一方面所述的工作电极的方法，所述方法包括：

12、于有机溶剂加入钌盐，并进行搅拌，后加入多壁碳纳米材料，并进行搅拌，得到混合溶液；

13、对所述混合溶液进行高温反应，并进行冷却和洗涤，后进行真空干燥，得到钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料；

14、分别向分散剂中加入所述钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料和粘结剂，并进行搅拌，得到催化剂浆料；

15、在基底的表面涂布所述催化剂浆料，后进行干燥，得到工作电极。

16、可选的，所述钌盐包括氯化钌、硝酸钌、氧化钌和碳酸钌中的至少一种。

17、可选的，所述高温反应的温度为150℃～200℃，所述高温反应的时间≥3h。

18、可选的，所述真空干燥包括保温段和加热段；

19、所述保温段的温度为75℃～85℃，所述保温段的时间为4h～6h；

20、所述加热段的温度为175℃～185℃，所述加热段的时间为10h～14h。

21、可选的，所述干燥包括鼓风干燥和高温干燥；

22、所述鼓风干燥的温度为75℃～85℃，所述鼓风干燥的时间为2h～4h；

23、所述高温干燥的温度为105℃～115℃，所述高温干燥的时间为8h～12h。

24、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

25、本申请实施例提供的一种钠-二氧化碳电池用工作电极，通过在工作电极中引入包括钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料的催化剂，利用多壁碳纳米材料负载单质钌作为催化剂，一方面多壁碳纳米材料具有良好的孔隙结构，可以使得工作电极在正常工作阶段分散二氧化碳，使得二氧化碳可以与单质钌充分接触，另一方面多壁碳纳米材料的多孔结构可以容纳足够数量的单质钌，因此可以提高单位时间内单质钌的催化活性，同时控制该钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料和粘结剂的具体质量之比，以及该钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料和分散剂的质量体积比，可以使得该钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料均匀分散并固定在基底表面，由于引入的碳纳米材料还具有一定导电性，因此配合基底的导电性还可以显著降低工作电极工作时的充电电压并提高放电时的放电电压，以此降低工作电极的极化电压，从而可以提高包含该工作电极的电池性能和电池循环寿命。

技术特征：

1.一种钠-二氧化碳电池用工作电极，其特征在于，所述工作电极包括基底和负载在所述基底上的催化剂，以质量分数计，所述催化剂的原料包括：钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料、粘结剂和分散剂；

2.根据权利要求1所述的工作电极，其特征在于，所述钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料中钌纳米颗粒与碳纳米材料的质量之比为1:1～2。

3.根据权利要求2所述的工作电极，其特征在于，所述碳纳米材料包括碳纳米管、石墨烯和碳纳米片中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的工作电极，其特征在于，所述基底包括片状碳材料或金属泡沫材料。

5.根据权利要求4所述的工作电极，其特征在于，所述片状碳材料包括碳纸、碳布和碳毡中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的工作电极，其特征在于，所述金属泡沫材料包括泡沫镍和/或泡沫铁。

7.根据权利要求1所述的工作电极，其特征在于，所述粘结剂包括聚偏二氟乙烯。

8.根据权利要求1所述的工作电极，其特征在于，所述分散剂包括n-甲基吡咯烷酮。

9.一种制备如权利要求1-8中任一项所述的钠-二氧化碳电池用工作电极的方法，其特征在于，所述方法包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述钌盐包括氯化钌、硝酸钌、氧化钌和碳酸钌中的至少一种。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述高温反应的温度为150℃～200℃，所述高温反应的时间≥3h。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述真空干燥包括保温段和加热段；

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述干燥包括鼓风干燥和高温干燥；

技术总结
本申请涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种钠‑二氧化碳电池用工作电极及其制备方法；所述工作电极包括基底和负载在基底上的催化剂，以质量分数计，催化剂的原料包括：钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料、粘结剂和分散剂；其中，钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料和粘结剂的质量之比为85～95:15～5，钌纳米颗粒修饰多壁碳纳米材料和分散剂的质量体积之比为5～19:1；由于引入的碳纳米材料还具有极好的导电性，因此配合基底的导电性还可以显著降低工作电极工作时的充电电压并提高放电时的放电电压，以此降低工作电极的极化电压，从而可以提高包含该工作电极的电池性能和电池循环寿命。

技术研发人员：卢亮,刘辰光,楚攀,叶李旺
受保护的技术使用者：中石油深圳新能源研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15