一種鋁離子電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁離子電池及其制備方法，屬于離子電池及其制備領(lǐng)域。此鋁離子電池包含正極、負極和鋁離子電解質(zhì)，其中正極為過渡族金屬氧化物、負極為高純鋁；當(dāng)鋁離子電解質(zhì)為液態(tài)時，電池中包含隔膜材料。由于鋁元素儲量豐富，大大降低了離子電池的成本，并且提高了安全性能；過渡金屬氧化物由于可變價和不同價態(tài)下的相對穩(wěn)定性，有利于在超價離子電池中的應(yīng)用；采用離子液體作為超價離子電池的電解質(zhì)，鋁離子電導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性好，電化學(xué)窗口較寬，化學(xué)穩(wěn)定性高，與電池體系中的正負極材料、集流體、粘結(jié)劑、隔膜等基本不發(fā)生反應(yīng)，在較寬的溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)。本發(fā)明可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如電子工業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)、電動汽車等。
【專利說明】一種紹罔子電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于離子電池及其制備領(lǐng)域，尤其涉及一種新型超價離子電池體系的制備技術(shù)，特別涉及一種基于鋁離子嵌入和脫嵌的超價離子電池及其制備方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)前，煤炭、石油和天然氣等不可再生化石燃料日益枯竭，環(huán)境污染和溫室效應(yīng)日益加劇，能源危機和環(huán)境保護成為世界面臨的兩大難題。因此，開發(fā)新型綠色能源和儲能設(shè)備越來越引起人們的注意。鋰離子電池作為新型儲能裝置，因其具有自放電小、比容量高、循環(huán)性能好和環(huán)境友好等優(yōu)點，越來越受到研究者的青睞，并被視為未來電動汽車、儲能電站等大規(guī)模儲能電池的主要選擇。然而，地球上的鋰資源是有限的，其昂貴的成本阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，發(fā)展資源豐富，成本低廉的新型電池體系，是解決未來大規(guī)模能源存儲系統(tǒng)的趨勢。鋁元素在地殼中的儲量十分豐富，其開采成本很低，價格便宜，基于鋁離子嵌入和脫嵌的超價離子電池有望用于大規(guī)模儲能設(shè)備。此外，一個鋁離子可以轉(zhuǎn)移三個電子，使得其比容量有望得到很大提升。目前有報道的相關(guān)電池體系很少，其比容量低，循環(huán)性能差，不利于商業(yè)化應(yīng)用。因此，開發(fā)出比容量較高，循環(huán)性能優(yōu)良的新型超價離子電池，具有十分重要的理論意義和商業(yè)價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種可取代鋰離子電池的新型電池體系，即超價離子電池體系及其制備方法，實現(xiàn)了超價離子電池的高容量充放電，并且循環(huán)壽命長。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
本發(fā)明涉及一種鋁離子電池，其包含正極、負極和鋁離子電解質(zhì)，其中正極為過渡族金屬氧化物、負極為高純鋁。
[0006]所述鋁離子電池的優(yōu)選技術(shù)方案為，鋁離子電解質(zhì)為液態(tài)時，電池中包含隔膜材料。
[0007]所述鋁離子電池的優(yōu)選技術(shù)方案為，所述隔膜材料為具有離子通透性的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料、玻璃纖維材料中的一種。
[0008]所述鋁離子電池的優(yōu)選技術(shù)方案為，所述鋁離子電解質(zhì)由鹵化鋁和1-丁基-3-甲基咪唑氯化物、1-丙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、1- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽中的一種或幾種任意比例的混合而成。
[0009]所述鋁離子電池的優(yōu)選技術(shù)方案為，所述鋁離子電解質(zhì)中鹵化鋁與無機酸鹽的體積比為0.5?2。
[0010]所述鋁離子電池的優(yōu)選技術(shù)方案為，所述正極材料的過渡族金屬氧化物為vox、Ta2O5, Nb2O5, TiO2, Cr2O3> MnOx, FeOx, CoO2, CuOx, ZnO、MoO3 中的一種或幾種任意比例的混合物。[0011]所述鋁離子電池的優(yōu)選技術(shù)方案為，所述離子電池的正極集電體為不銹鋼箔、泡沫鎳、碳紙中的一種。
[0012]本發(fā)明還涉及上述鋁離子電池的制備方法，包括以下的制備步驟:
O作為鋁離子電池正極材料的過渡金屬氧化物的制備，過渡金屬氧化物為粉末狀，顆粒大小為10 nm-10 μ m ；
2)將上述過渡金屬氧化物與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑進行混合后，涂布于集電體上，作為正極；
3)將直徑為5-10mm的高純鋁清洗后作為負極；
4)配制含有可自由移動Al3+離子液體作為電池的電解質(zhì)；
5)以過渡金屬氧化物作為電池正極材料，以高純鋁片作為負極材料，離子液體為電解質(zhì)，在手套箱中裝配電池。
[0013]上述鋁離子電池制備方法的優(yōu)選方案為，步驟(2)所述的導(dǎo)電劑為乙炔黑、超級碳、碳納米管、碳粉、石墨材料中的一種。
[0014]上述鋁離子電池制備方法的優(yōu)選方案為，步驟(2)所述的粘結(jié)劑為聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)中的一種。
[0015]進一步，所述步驟2)中，正極的制備中，過渡金屬氧化物用量為30-90 wt% ;導(dǎo)電劑為乙炔黑、超級碳、碳納米管、碳粉、石墨等導(dǎo)電碳材料，用量為1-30 wt%;粘結(jié)劑為聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)等，用量為1-20 wt% ;粘結(jié)劑PVDF可溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，按PVDF與NMP之比為1:10制成；集流體為不銹鋼箔或泡沫鎳。
[0016]進一步，所述步驟3)中，負極的清洗方法為，用有機液體，無水乙醇或丙酮，浸泡時間為1-5小時，并超聲震蕩，干燥后，作為負極。
[0017]進一步，所述步驟5)中，隔膜材料為具有離子通透性的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料或者玻璃纖維。
[0018]由于本發(fā)明對超價離子電池正負極組成、隔膜、電解質(zhì)等進行了嚴格細致的挑選、科學(xué)合理的組配，并結(jié)合精密制備方法，本發(fā)明達到下述特點:提出了一種新型離子電池體系，即超價離子電池體系，使可移動電源的種類進一步擴展；由于鋁元素儲量豐富，價格低廉，大大降低了離子電池的成本，并且提高了離子電池的安全性能；過渡金屬氧化物由于過渡金屬的可變價和不同價態(tài)下的相對穩(wěn)定性，有利于在超價離子電池中的應(yīng)用；隔膜具有良好的電絕緣性，電阻低，對電解質(zhì)離子具有很好的通透性，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，對電解質(zhì)潤濕性好；有一定的機械強度，可選用的品種多；采用離子液體作為超價離子電池的電解質(zhì)，鋁離子電導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性好，電化學(xué)窗口較寬，化學(xué)穩(wěn)定性高，與電池體系中的正負極材料、集流體、粘結(jié)劑、隔膜等基本不發(fā)生反應(yīng)，在較寬的溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)。本發(fā)明的可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如電子工業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)、電動汽車等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實施例1制備的鋁離子電池循環(huán)伏安曲線；
圖2為實施例1制備的鋁離子電池的充放電性能測試曲線；
圖3為實施例1制備的鋁離子電池的循環(huán)性能測試曲線。
[0020]【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明的超價離子電池結(jié)構(gòu)有扣式狀、圓柱狀、方形狀等多種形狀，它們主要包括電池殼體、正極、負極、隔膜以及注入的電解質(zhì)等。電池殼體主要由不銹鋼殼、鋁殼或者鍍鎳鋼殼等制造。正極材料主要為過渡金屬氧化物V0X、Ta2O5, Nb2O5, TiO2, Cr2O3> MnOx, FeOx,CoO2, CuOx, ZnO、MoO3等正極材料的集流體為不銹鋼箔或泡沫鎳，負極材料為高純鋁箔。隔膜材料采用聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料或者玻璃纖維。電解質(zhì)材料為AlCl3和1-丁基-3-甲基咪唑氯化物、1-丙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽等按一定比例合成的離子液體。
[0022]實施例1:
用VO2作為正極活性物質(zhì)，將其和導(dǎo)電劑乙炔黑以及粘結(jié)劑聚四氟乙烯(PTFE)按質(zhì)量比75:15:10的比例進行混合，加入到無水乙醇中進行分散，超聲震蕩后在60 ° C烘箱中烘干至凝膠狀，將凝膠狀物均勻涂布在不銹鋼箔上，作為超價離子電池正極，將其在120 ° C烘箱中干燥12小時，然后在充滿氬氣的手套箱中組裝電池。對電極為高純金屬鋁片，將其在無水乙醇中浸泡3小時，并超聲震蕩，干燥后，作為負極。將AlCl3和1-丁基-3-甲基咪唑氯化物按質(zhì)量比為1:1合成離子液體，作為本發(fā)明超價離子電池的電解質(zhì)。隔膜為玻璃纖維(GF/D，Whatman)ο電池經(jīng)封口、洗凈、包裝、軋邊和檢驗，得到超價離子電池產(chǎn)品。電池裝好12小時后，在0.01-0.9 V之間進行充放電測試。如圖1至圖3，顯示出良好的電化學(xué)性能。
[0023]實施實例2:
用Ta2O5作為正極活性物質(zhì)，將其和導(dǎo)電劑超級碳以及粘結(jié)劑聚四氟乙烯(PTFE)按質(zhì)量比80:10:10的比例進行混合，加入到無水乙醇中進行分散，超聲震蕩后在60°C烘箱中烘干至凝膠狀，將凝膠狀物均勻涂布在不銹鋼箔上，作為超價離子電池正極。在120°C烘箱中干燥12小時，然后在充滿氬氣的手套箱中組裝電池。對電極為高純金屬鋁片。將AlBr3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按質(zhì)量比為1.1:1合成離子液體，作為本發(fā)明超價離子電池的電解質(zhì)。隔膜為聚丙烯微孔隔膜材料。電池經(jīng)封口、洗凈、包裝、軋邊和檢驗，得到超價離子電池產(chǎn)品。
[0024]實施實例3:
用Nb2O5作為正極活性物質(zhì)，將其和導(dǎo)電劑碳納米管以及粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(PVDF)等按質(zhì)量比75:15:10的比例進行混合，加入到無水乙醇中進行分散，超聲震蕩后在60°C烘箱中烘干至凝膠狀，將凝膠狀物均勻涂布在泡沫鎳上，作為超價離子電池正極。在120°C烘箱中干燥12小時，然后在充滿氬氣的手套箱中組裝電池。對電極為高純金屬鋁片。將AlCl3和1-丙基-3-甲基咪唑氯化物按質(zhì)量比為1.2:1合成離子液體，作為本發(fā)明超價離子電池的電解質(zhì)。隔膜為聚乙烯微孔隔膜材料。電池經(jīng)封口、洗凈、包裝、軋邊和檢驗，得到超價離子電池產(chǎn)品。
【權(quán)利要求】
1.一種鋁離子電池，其特征在于，其包含正極、負極和鋁離子電解質(zhì)，其中正極為過渡族金屬氧化物、負極為高純鋁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁離子電池，其特征在于，鋁離子電解質(zhì)為液態(tài)時，電池中包含隔膜材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁離子電池，其特征在于，所述隔膜材料為具有離子通透性的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料、玻璃纖維材料中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁離子電池，其特征在于，所述鋁離子電解質(zhì)由鹵化鋁和1- 丁基-3-甲基咪唑氯化物、1-丙基-3-甲基咪唑氯鹽、1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、1- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽中的一種或幾種任意比例的混合而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁離子電池，其特征在于，所述鋁離子電解質(zhì)中鹵化鋁與無機酸鹽的體積比為0.5?2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁離子電池，其特征在于，所述正極材料的過渡族金屬氧化物為 VOx、Ta2O5' Nb2O5' Ti02、Cr2O3> MnOx、FeOx、CoO2, CuOx、Zn。、MoO3 中的一種或幾種任意比例的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁離子電池，其特征在于，所述離子電池的正極集電體為不銹鋼箔、泡沫鎳、碳紙中的一種。
8.如權(quán)利要求1所述鋁離子電池的制備方法，其特征在于，包括以下的制備步驟: 1)作為鋁離子電池正極材料的過渡金屬氧化物的制備，過渡金屬氧化物為粉末狀，顆粒大小為10 nm-10 μ m ； 2)將上述過渡金屬氧化物與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑進行混合后，涂布于集電體上，作為正極； 3)將直徑為5-10mm的高純鋁清洗后作為負極； 4)配制含有可自由移動Al3+離子液體作為電池的電解質(zhì)； 5)以過渡金屬氧化物作為電池正極材料，以高純鋁片作為負極材料，離子液體為電解質(zhì)，在手套箱中裝配電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述鋁離子電池的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的導(dǎo)電劑為乙炔黑、超級碳、碳納米管、碳粉、石墨材料中的一種；粘結(jié)劑為聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述鋁離子電池的制備方法，其特征在于，步驟(2)中過渡金屬氧化物用量為30-90 wt%、導(dǎo)電劑為1-30 wt%、粘結(jié)劑為1-20 wt%。
【文檔編號】H01M10/054GK103825045SQ201410115329
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】焦樹強, 王偉, 胡麗文, 孫禾, 孫浩博, 趙飛 申請人:北京科技大學(xué)