為正極材料的鋁離子電池及其制備方法
【專利摘要】一種采用MoS2為正極材料的鋁離子電池及其制備方法，屬于電池【技術(shù)領(lǐng)域】，可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，也可應(yīng)用于電動汽車的動力電池。本發(fā)明的鋁離子電池包含正極活性物質(zhì)、負(fù)極、隔膜材料、液態(tài)鋁離子電解液及電解池裝置，其中正極活性物質(zhì)為MoS2，負(fù)極為高純鋁片，液態(tài)離子電解液為含有Al3+離子的非水溶液電解液。本發(fā)明所提供鋁離子二次電池能夠反復(fù)充放電、具有高容量、充放電效率高、循環(huán)穩(wěn)定性好以及充放電特性優(yōu)異，且電極材料來源廣泛、制備容易、成本低、綠色環(huán)保且價格低廉。
【專利說明】一種采用MoS2為正極材料的鋁離子電池及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種采用MoS2為正極材料的鋁離子電池及其制備方法，可作為新型綠色能源電池應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)及電動車動力電池等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]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(jī)和環(huán)境保護(hù)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。自日本SONY公司成功推出鋰離子電池以來，鋰離子電池便迅速在電子產(chǎn)品、動力能源、軍事領(lǐng)域等多方面得到了廣泛的應(yīng)用，目前正在向電動汽車的動力電池工業(yè)方面發(fā)展。但是由于鋰資源的局限導(dǎo)致成本昂貴以及較大的安全隱患限制了鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。從而，近年來，作為瞄準(zhǔn)高容量化、可代替鋰離子的離子導(dǎo)電體，采用多陽離子的課充電電池研究日益活躍。
[0003]鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素，而且開采成本低，價格便宜，若作為電池材料，鋁離子充電電池交換3價的Al3+，有望大幅提高容量，所以基于鋁離子嵌入和脫嵌的多價離子電池有望用于大規(guī)模儲能設(shè)備。因此，開發(fā)出比容量高、安全性能好、循環(huán)穩(wěn)定性好的新型多價離子電池，具有十分重要的商業(yè)利用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種可取代鋰離子電池的新型二次電池，及多價離子可充電電池及其制備方法，實現(xiàn)了可充電鋁離子電池的高容量充放電，而且循環(huán)性能好和安全性能高。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明提出的可充電鋁離子電池，其工作原理與現(xiàn)有的鋰離子電池、鈉離子電池工作原理相似。
[0007]一種采用MoS2為正極材料的鋁離子電池，其特征包含正極活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料及其粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料、負(fù)極和鋁離子非水溶液電解液及電解池裝置，其中正極活性物質(zhì)為MoS2，負(fù)極為高純鋁；鋁離子非水溶液電解液由3-甲基咪唑類化合物與無水氯化鋁按比例混合而成。
[0008]所述MoS2材料為市售、或通過化學(xué)方法和物理方法制備的微米級或納米級MoS2,其中化學(xué)方法包括化學(xué)氣相沉積法、高溫硫化法、前驅(qū)體分解法、水熱法和溶液法等；物理方法包括機(jī)械研磨法、等離子噴涂法和高壓電弧法等。
[0009]所述復(fù)合材料中所采用的導(dǎo)電材料為鉬漿、銀漿、無定形碳和Super-P，其中當(dāng)使用無定形碳和Super-P時要加10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的粘結(jié)劑。
[0010]所述的粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)中的一種。
[0011]所述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中的一種或幾種。
[0012]所述鋁離子電池的電解液中無水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物的質(zhì)量比為
1.1:1-1.6:1，優(yōu)選比例為 1.3:1.,
[0013]所述的電解池裝置為玻璃電解池或塑料電解池。
[0014]如上所述采用10?為正極材料的鋁離子電池的制備方法，包括以下制備步驟:
[0015]1)將正極材料10?和導(dǎo)電材料及其粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料均勻固定在打磨干凈的惰性金屬箔片集流體上，并用隔膜材料包裹，其中惰性金屬箔片集流體為鑰片、鈦片、泡沫鎳或金及鉬族等貴金屬；
[0016]2)將厚度為0.2-2111111的高純鋁，清洗后作為負(fù)極材料；
[0017]3)配制含有可自由移動的八離子的非水溶液電解液；
[0018]4)準(zhǔn)備好正極材料、負(fù)極材料以及鋁離子非水溶液電解液后，在無氧環(huán)境(如手套箱內(nèi))中組裝電池；
[0019]5)電池組裝好后，將其電極全部插入電解液中，待電解液全部潤濕電極后再進(jìn)行充放電測試。
[0020]鋁離子電池所用的電解池裝置為玻璃電解池或塑料電解池。
[0021]上述鋁離子電池制備方法步驟(1)中，所述隔膜材料為具有離子通透性且不與正負(fù)極反應(yīng)，而且具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、良好的機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性，如聚烯烴微孔膜隔膜材料和玻璃纖維材料。
[0022]上述鋁離子電池制備方法步驟(1)中，所述10?材料與導(dǎo)電材料按比例混合均勻，然后將其固定在惰性金屬集流體上，作為正極，其中固定方式可以為涂抹、壓制及粘接。
[0023]上述鋁離子電池制備方法步驟(1)中，若使用無定形碳或作為導(dǎo)電材料時，10?材料用量為50-85% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)〉、導(dǎo)電材料為10-40% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)〉、粘結(jié)劑為5-10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)若使用鉬漿或銀漿作為導(dǎo)電材料時，10?材料用量為60-90% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))、導(dǎo)電材料為10-40 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。
[0024]上述鋁離子電池制備方法步驟(2)中，首先將高純鋁裁剪成片狀，然后將其用砂紙打磨平滑，再將其進(jìn)行清洗，其中清洗的方法為，用有機(jī)液體，如無水乙醇或丙酮浸泡并超聲震蕩，然后在60-120攝氏度烘箱里進(jìn)行干燥。
[0025]上述鋁離子電池制備方法步驟(3)中，含有八離子的液態(tài)非水溶液電解液必須在手套箱中進(jìn)行配制，然后將其精置12小時以上后方能使用。
[0026]本發(fā)明使用10?作為正極，高純鋁作為負(fù)極，構(gòu)成了一種可充電的鋁離子電池。由于本發(fā)明對正負(fù)極材料、隔膜及其電解液等通過實驗研究進(jìn)行了精細(xì)的選擇，并結(jié)合嚴(yán)密的制備方法，所以本發(fā)明具有以下特點:提出了一種新型多價離子，即鋁離子電池體系，這也促進(jìn)了儲能設(shè)備的發(fā)展；由于鋁元素在地殼的儲量豐富，價格便宜，大大降低了電池的制備成本，同時也提高了離子電池的安全性能；1032的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好、比表面積大、表面活性高，因此具有獨特的物理和化學(xué)特性，所以在電化學(xué)儲能方面有著廣泛的應(yīng)用前景；隔膜具有良好的絕緣性能，對電解液離子具有很好的通透性能，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性；招離子電解液，導(dǎo)電率高，熱穩(wěn)定性好，與電池中正負(fù)極材料、隔膜和粘結(jié)劑等不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；本發(fā)明的鋁離子電池可廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，也可應(yīng)用于電動汽車的動力電池。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為實施例1制備的鋁離子電池前2圈充放電性能測試曲線；
[0028]圖2為實施例2制備的鋁離子電池的循環(huán)性能測試曲線。

【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明下面將通過具體實施例進(jìn)行更詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受限于這些實施例。
[0030]實施例1
[0031]用MoS2作為正極活性物質(zhì)，正極片組裝按MoS2:鉬漿質(zhì)量比為70:30的比例混合均均勻，然后將凝膠狀物均勻的涂抹在1mmX 20mm的鑰片上，最后在60-120攝氏度烘箱靜置12小時以上烘干后用GF/D隔膜材料包裹作為電池正極。負(fù)極為高純鋁，將其在無水乙醇中浸泡1-2小時，并超聲震蕩干燥后，裁剪成1mmX 20mm的片狀作為負(fù)極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按質(zhì)量比為1.3:1在氬氣環(huán)境的手套箱內(nèi)配制成離子液體，作為本發(fā)明的鋁離子電池電解液。最后將準(zhǔn)備好的正極、負(fù)極及電解液在手套箱內(nèi)組裝成電池。電池裝好12小時后，在0.5-2.15V之間進(jìn)行充放電測試。
[0032]實施例2
[0033]用MoS2作為正極活性物質(zhì)，將其和導(dǎo)電材料Super-P以及粘結(jié)劑聚四氟乙烯(PTFE)按質(zhì)量比為75:15:10的比例進(jìn)行混合，加入到無水乙醇中進(jìn)行分散，并在超聲震蕩20-30min混合均勻后擱置在60攝氏度的烘箱中烘至凝膠狀，然后將凝膠狀物均勻的涂抹在1mmX20mm的鑰片上，最后在60-120攝氏度烘箱靜置12小時以上烘干后用GF/D隔膜材料包裹作為電池正極。負(fù)極為高純鋁，將其在無水乙醇中浸泡1-2小時，并超聲震蕩干燥后，裁剪成1mmX 20mm的片狀作為負(fù)極。將無水氯化鋁和1-乙基_3_甲基咪唑氯化物按質(zhì)量比為1.3:1在氬氣環(huán)境的手套箱內(nèi)配制成離子液體，作為本發(fā)明的鋁離子電池電解液。最后將準(zhǔn)備好的正極、負(fù)極及電解液在手套箱內(nèi)組裝成電池。電池裝好12小時后，在0.5-2.15V之間進(jìn)行充放電測試。
【權(quán)利要求】
1.一種采用MoS2為正極材料的鋁離子電池，其特征在于包含正極活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料及其粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料、負(fù)極和鋁離子非水溶液電解液及電解池裝置，其中正極活性物質(zhì)為MoS2，負(fù)極為高純鋁；鋁離子非水溶液電解液由3-甲基咪唑類化合物與無水氯化鋁按比例混合而成。
2.如權(quán)利要求1所述采用MoS2為正極材料的鋁離子電池，其特征在于所述MoS2材料為市售、或通過化學(xué)方法和物理方法制備的微米級或納米級MoS2，其中化學(xué)方法包括化學(xué)氣相沉積法、高溫硫化法、前驅(qū)體分解法、水熱法和溶液法；物理方法包括機(jī)械研磨法、等離子噴涂法和高壓電弧法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用MoS2為正極材料的鋁離子電池，其特征在于，所述復(fù)合材料中所采用的導(dǎo)電材料為鉬衆(zhòng)、銀衆(zhòng)、無定形碳和Super-Ρ,其中當(dāng)使用無定形碳和Super-P時要加10%的粘結(jié)劑。
4.如權(quán)利要求1或所述采用MoS2為正極材料的鋁離子電池，其特征在于所述的粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述采用MoS2為正極材料的鋁離子電池，其特征在于所述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中的一種或幾種。
6.如權(quán)利要求1所述采用MoS2為正極材料的鋁離子電池，其特征在于所述鋁離子電池的鋁離子非水溶液電解液中無水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物的質(zhì)量比為1.1:1-1.6:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用MoS2為正極材料的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MoS2均勻固定在打磨干凈的惰性金屬箔片集流體上，并用隔膜材料包裹，其中惰性金屬箔片集流體為鑰片、鈦片、泡沫鎳或金及鉬族金屬； 2)將厚度為0.2-2mm的高純鋁，清洗后作為負(fù)極材料； 3)配制含有可自由移動的Al3+離子的非水溶液電解液； 4)準(zhǔn)備好正極材料、負(fù)極材料以及鋁離子非水溶液電解液后，在無氧環(huán)境中組裝電池； 5)電池組裝好后，將其電極全部插入鋁離子非水溶液電解液中，待鋁離子非水溶液電解液全部潤濕電極后再進(jìn)行充放電測試。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用MoS2為正極材料的鋁離子電池的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，所述隔膜材料為具有離子通透性且不與正負(fù)極反應(yīng)，而且具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、良好的機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性，包括聚烯烴微孔膜隔膜材料和玻璃纖維材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用MoS2為正極材料的鋁離子電池的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，MoS2材料與導(dǎo)電材料按比例均勻混合，然后將其固定在惰性金屬集流體上，作為正極，其中固定方式為涂抹、壓制及粘接。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用MoS2為正極材料的鋁離子電池的制備方法，其特征在于，步驟(I)中，在使用無定形碳或Super-P作為導(dǎo)電材料時，1^2材料用量為50_85%、導(dǎo)電材料為10-40%、粘結(jié)劑為5-10% ;在使用鉬漿或銀漿作為導(dǎo)電材料時，MoS2材料用量為60-90%、導(dǎo)電材料為10-40%。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用10?為正極材料的鋁離子電池的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，首先將高純鋁裁剪成片狀，然后將其用砂紙打磨平滑，再將其進(jìn)行清洗，其中清洗的方法為，用無水乙醇或丙酮浸泡并超聲震蕩，然后在60-120攝氏度烘箱里進(jìn)行干燥。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用10?為正極材料的鋁離子電池的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，含有八離子的液態(tài)非水溶液電解液必須在手套箱中進(jìn)行配制，然后將其精置12小時以上后才能使用。
【文檔編號】H01M4/58GK104393290SQ201410592604
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】焦樹強(qiáng), 王帥, 孫浩博, 王俊香, 劉勇 申請人:北京科技大學(xué), 石嘴山市天和創(chuàng)潤新材料科技有限公司