一種可充電鋁離子電池及其制備方法
【專利摘要】一種可充電鋁離子電池及其制備方法，屬于能源再利用領(lǐng)域。電池包含正極、負(fù)極、液態(tài)鋁離子電解液、隔膜材料，其中正極為石墨結(jié)構(gòu)碳材料，負(fù)極為高純鋁，液態(tài)鋁離子電解液由無(wú)水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物混合而成，其中無(wú)水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物的摩爾比為1.1:1至1.6:1。電池的制備過(guò)程是：先將正極材料石墨結(jié)構(gòu)碳材料加工成片狀，再以惰性金屬箔片為集流體將上述正極材料固定，以隔膜包裹作為正極；將高純鋁剪片清洗后作為負(fù)極；配制含有可自由移動(dòng)的Al3+離子的液態(tài)鋁離子電解液。以上述正極、負(fù)極以及液態(tài)鋁離子電解液，在手套箱中組裝電池。該電池具高容量、循環(huán)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可應(yīng)用于電子工業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)、電動(dòng)汽車等眾多領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種可充電鋁離子電池及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可充電鋁離子電池及其制備方法，屬于能源再利用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭，綠色可再生能源備受青睞。其中各種二次電池的研究更是如火如荼。
[0003]上世紀(jì)八十年代提出的鋰離子電池因其具有自放電小、比容量高、循環(huán)性能好和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已技術(shù)成熟。然而地球上鋰資源有限，昂貴的成本及安全隱患限制了鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用。人們亟需設(shè)計(jì)新型電池體系取代鋰離子電池。
[0004]鋁元素是地殼中含量最豐富的金屬元素，鋁成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰，基于鋁離子嵌入和脫嵌的可充電鋁離子電池有望用于大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備。另外，每一個(gè)鋁離子攜帶的電荷是鋰離子的三倍，因而，鋁離子電池的容量有望得到很大提升。碳材料以其層狀結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的導(dǎo)電性可以使鋁離子嵌入和脫嵌，且價(jià)格低廉、方便加工，成為鋁離子電池的合適電極材料。因此，開發(fā)比容量較高、價(jià)格低廉的鋁-碳可充電電池具有十分重要的理論意義和商業(yè)意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]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二次電池，即可充電鋁離子電池體系及其制備方法，實(shí)現(xiàn)了可充電鋁離子電池的高容量充放電，并且循環(huán)壽命長(zhǎng)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0007]—種可充電鋁離子電池，其特征在于包含正極、負(fù)極、液態(tài)鋁離子電解液、隔膜材料，其中正極為石墨結(jié)構(gòu)碳材料，負(fù)極為高純鋁，液態(tài)鋁離子電解液由無(wú)水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物混合而成，其中無(wú)水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物的摩爾比為1.1:1至1.6:1。
[0008]所述石墨結(jié)構(gòu)碳材料為石墨、碳紙、碳纖維紙及炭黑等。
[0009]所述隔膜材料為具有離子通透性且不與正極和負(fù)極反應(yīng)的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料以及玻璃纖維材料中的一種。
[0010]所述的3-甲基咪唑類化合物包括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。
[0011]所述可充電鋁離子電池的制備方法，其特征在于，包括以下的制備步驟:
[0012]I)將正極材料石墨結(jié)構(gòu)碳材料加工成片狀；
[0013]2)以惰性金屬箔片為集流體將上述正極材料固定，以隔膜包裹作為正極，惰性金屬箔片為鑰、泡沫鎳或金及鉬族金屬等貴金屬；
[0014]3)將高純鋁剪片清洗后作為負(fù)極；
[0015]4)配制含有可自由移動(dòng)的Al3+離子的離子液體作為電池的液態(tài)鋁離子電解液；
[0016]5)用上述正極、負(fù)極以及液態(tài)鋁離子電解液，在手套箱中組裝電池。
[0017]可充電鋁離子電池所用殼體結(jié)構(gòu)為玻璃電解池、塑料電解池或塑料電池殼。
[0018]上述步驟2)，固定方式為剪切惰性金屬片(鑰片、泡沫鎳、貴金屬等)為集流體，把步驟I)中加工好的碳材料電極片固定在集流體上，作為正極。固定方式包括綁縛、粘連、壓制以及槽型固定等物理固定方式。再按正極尺寸剪裁隔膜材料，包在正極片上，固定好。
[0019]上述步驟3)，負(fù)極的清洗方法為，用有機(jī)液體，無(wú)水乙醇或丙酮，浸泡并超聲震蕩，干燥后，作為負(fù)極。
[0020]上述步驟4)，液態(tài)鋁離子電解液應(yīng)在手套箱中配制，配制后要靜置12小時(shí)以上。
[0021]本發(fā)明使用石墨結(jié)構(gòu)碳材料(石墨、碳紙、碳纖維紙、膨脹石墨以及炭黑等)作為正極，以高純鋁作為負(fù)極，構(gòu)成了一種新型非水系可充電鋁離子電池。由于本發(fā)明對(duì)此種電池正負(fù)極、隔膜、電解液等進(jìn)行了細(xì)致的研究、精密的制備、準(zhǔn)確的測(cè)試，本發(fā)明達(dá)到了下述特點(diǎn):提出了一種新型高價(jià)離子電池體系，即可充電鋁離子電池體系，使可移動(dòng)電源的種類進(jìn)一步擴(kuò)展；由于鋁元素儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，大大降低了離子電池的成本；碳材料由于其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的導(dǎo)電性以及低廉的價(jià)格，有利于在可充電鋁離子電池中的應(yīng)用；隔膜具有良好的電絕緣性，電阻低，對(duì)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(duì)電解質(zhì)潤(rùn)濕性好；有一定的機(jī)械強(qiáng)度，可選用的品種多；采用離子液體作為可充電鋁離子電池的電解質(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(fù)極材料、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(dòng)汽車等。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為實(shí)施例1制備的可充電鋁離子電池充放電性能測(cè)試曲線；
[0023]圖2為實(shí)施例2制備的可充電鋁離子電池的循環(huán)性能測(cè)試曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明的可充電鋁離子電池結(jié)構(gòu)有圓柱狀、方形狀、扣式狀等多種形狀，它們主要包括電池殼體、正極、負(fù)極、隔膜以及注入的電解質(zhì)等。電池殼體可為玻璃制、塑料制及鑰制殼體。正極為以鑰片固定的石墨結(jié)構(gòu)碳材料(石墨、碳紙、碳纖維紙及炭黑等)，負(fù)極為高純鋁。隔膜材料為具有離子通透性且不與正極與負(fù)極反應(yīng)的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料以及玻璃纖維材料中的一種。電解質(zhì)由無(wú)水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物(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)混合而成。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]以碳紙作為正極材料。把碳紙?jiān)谑謩?dòng)壓軋機(jī)上壓平壓均勻，剪裁成直徑為16mm的圓片，以無(wú)水乙醇擦洗干凈，在60°C烘箱中烘干2小時(shí)。取0.5mm厚的鑰箔，剪裁出兩片4mmX7mm尺寸的鑰片。對(duì)其兩片鑰片打直徑Imm的孔。把碳紙置于鑰片中間，按鑰片上孔洞位置打直徑Imm厚的孔。以集流體金屬絲把碳紙和鑰片綁在一起組成正極。以玻璃纖維濾紙(GF/D，Whatman)包裹碳紙和鑰片組成的正極。把高純鋁片在無(wú)水乙醇中浸泡3小時(shí)，并超聲震蕩，干燥后，作為負(fù)極。將無(wú)水氯化鋁和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按摩爾比
1.3:1在充氬手套箱中混合配制離子液體。之后把正極、負(fù)極裝到可密封的玻璃電解池中，加入離子液體后密封，即制成了可充電鋁離子電池產(chǎn)品。電池裝好12小時(shí)后，在0.4-2.4V范圍內(nèi)進(jìn)行充放電測(cè)試。圖1顯示了其比容量。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]以炭黑作為正極材料。在炭黑中加入少許無(wú)水乙醇沾濕，放入20mm直徑模具，以15MPa壓力壓塊，在60°C烘箱烘I小時(shí)后在真空條件下加熱到800°C真空燒結(jié)2小時(shí)自然冷卻。再取0.5mm厚的鑰箔,剪裁出兩片4mmX 7mm尺寸的鑰片。對(duì)其兩片鑰片打直徑Imm的孔。把炭黑電極片置于鑰片中間，按鑰片上孔洞位置打直徑Imm厚的孔。以集流體金屬絲把碳紙和鑰片綁在一起組成正極。以玻璃纖維濾紙(GF/D，Whatman)包裹碳紙和鑰片組成的正極。把高純鋁片在無(wú)水乙醇中浸泡3小時(shí)，并超聲震蕩，干燥后，作為負(fù)極。將無(wú)水氯化鋁和1-丁基-3-甲基咪唑氯化物按摩爾比1.3:1在充氬手套箱中混合配制離子液體。之后把正極、負(fù)極裝到可密封的玻璃電解池中，加入離子液體后密封，即制成了可充電鋁離子電池產(chǎn)品。電池裝好12小時(shí)后，在0.4-2.4V范圍內(nèi)進(jìn)行充放電測(cè)試。圖2顯示了其循環(huán)穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種可充電鋁離子電池，其特征在于包含正極、負(fù)極、液態(tài)鋁離子電解液、隔膜材料，其中正極為石墨結(jié)構(gòu)碳材料，負(fù)極為高純鋁，液態(tài)鋁離子電解液由無(wú)水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物混合而成，液態(tài)鋁離子電解液中無(wú)水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物的摩爾比為 1.1:1 至 1.6:1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可充電鋁離子電池，其特征在于，石墨結(jié)構(gòu)碳材料為石墨、碳紙、碳纖維紙、膨脹石墨及炭黑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電鋁離子電池，其特征在于，所述隔膜材料為具有離子通透性且不與正極和負(fù)極反應(yīng)的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料以及玻璃纖維材料中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可充電鋁離子電池，其特征在于，所述的3-甲基咪唑類化合物包括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。
5.如權(quán)利要求1所述可充電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)將正極材料石墨結(jié)構(gòu)碳材料加工成片狀； 2)以惰性金屬箔片為集流體將上述正極材料固定，以隔膜包裹作為正極，惰性金屬箔片為鑰、泡沫鎳或金及鉬族等貴金屬； 3)將高純鋁剪片清洗后作為負(fù)極； 4)配制含有可自由移動(dòng)的Al3+離子的離子液體作為電池的液態(tài)鋁離子電解液； 5)用上述正極、負(fù)極以及液態(tài)鋁離子電解液，在手套箱中組裝電池。
6.如權(quán)利要求5所述的可充電鋁離子電池的制備方法，其特征在于，可充電鋁離子電池所用殼體為玻璃電解池、塑料電解池或塑料電池殼。
7.如權(quán)利要求5所述的可充電鋁離子電池的制備方法，其特征在于，所述步驟2)固定方式為剪切惰性金屬片為集流體，把步驟I)中加工好的碳材料電極片固定在集流體上，作為正極；固定方式包括綁縛、粘連、壓制以及槽型固定，再按正極尺寸剪裁隔膜材料，包在正極片上，固定好。
8.如權(quán)利要求5所述的可充電鋁離子電池的制備方法，其特征在于，所述步驟3)負(fù)極的清洗方法為，用有機(jī)液體，無(wú)水乙醇或丙酮，浸泡并超聲震蕩，干燥。
9.如權(quán)利要求5所述的可充電鋁離子電池的制備方法，其特征在于，所述步驟4)離子液體要在手套箱中配制液態(tài)鋁離子電解液，配制后要靜置12小時(shí)以上。
【文檔編號(hào)】H01M4/133GK104241596SQ201410419495
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】焦樹強(qiáng), 孫浩博, 王偉, 王俊香, 劉勇 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué), 石嘴山市天和創(chuàng)潤(rùn)新材料科技有限公司