[发明专利]一种铝离子电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于离子电池及其制备领域，尤其涉及一种新型超价离子电池体系的制备技术，特别涉及一种基于铝离子嵌入和脱嵌的超价离子电池及其制备方法。

 

背景技术

当前，煤炭、石油和天然气等不可再生化石燃料日益枯竭，环境污染和温室效应日益加剧，能源危机和环境保护成为世界面临的两大难题。因此，开发新型绿色能源和储能设备越来越引起人们的注意。锂离子电池作为新型储能装置，因其具有自放电小、比容量高、循环性能好和环境友好等优点，越来越受到研究者的青睐，并被视为未来电动汽车、储能电站等大规模储能电池的主要选择。然而，地球上的锂资源是有限的，其昂贵的成本阻碍了其大规模应用。因此，发展资源丰富，成本低廉的新型电池体系，是解决未来大规模能源存储系统的趋势。铝元素在地壳中的储量十分丰富，其开采成本很低，价格便宜，基于铝离子嵌入和脱嵌的超价离子电池有望用于大规模储能设备。此外，一个铝离子可以转移三个电子，使得其比容量有望得到很大提升。目前有报道的相关电池体系很少，其比容量低，循环性能差，不利于商业化应用。因此，开发出比容量较高，循环性能优良的新型超价离子电池，具有十分重要的理论意义和商业价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种可取代锂离子电池的新型电池体系，即超价离子电池体系及其制备方法，实现了超价离子电池的高容量充放电，并且循环寿命长。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明涉及一种铝离子电池，其包含正极、负极和铝离子电解质，其中正极为过渡族金属氧化物、负极为高纯铝。

    所述铝离子电池的优选技术方案为，铝离子电解质为液态时，电池中包含隔膜材料。

    所述铝离子电池的优选技术方案为，所述隔膜材料为具有离子通透性的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料、玻璃纤维材料中的一种。

    所述铝离子电池的优选技术方案为，所述铝离子电解质由卤化铝和1-丁基-3-甲基咪唑氯化物、1-丙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯化物、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐中的一种或几种任意比例的混合而成。

    所述铝离子电池的优选技术方案为，所述铝离子电解质中卤化铝与无机酸盐的体积比为0.5~2。

    所述铝离子电池的优选技术方案为，所述正极材料的过渡族金属氧化物为VO_x、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂、Cr₂O₃、MnO_x、FeO_x、CoO₂、CuO_x、ZnO、MoO₃中的一种或几种任意比例的混合物。

    所述铝离子电池的优选技术方案为，所述离子电池的正极集电体为不锈钢箔、泡沫镍、碳纸中的一种。

    本发明还涉及上述铝离子电池的制备方法，包括以下的制备步骤：

1）作为铝离子电池正极材料的过渡金属氧化物的制备，过渡金属氧化物为粉末状，颗粒大小为10 nm-10 μm；

2）将上述过渡金属氧化物与导电剂、粘结剂进行混合后，涂布于集电体上，作为正极；

3）将直径为5-10mm的高纯铝清洗后作为负极；

4）配制含有可自由移动Al³⁺离子液体作为电池的电解质；

5）以过渡金属氧化物作为电池正极材料，以高纯铝片作为负极材料，离子液体为电解质，在手套箱中装配电池。

    上述铝离子电池制备方法的优选方案为，步骤（2）所述的导电剂为乙炔黑、超级碳、碳纳米管、碳粉、石墨材料中的一种。

上述铝离子电池制备方法的优选方案为，步骤（2）所述的粘结剂为聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏二氟乙烯（PVDF）中的一种。

进一步，所述步骤2）中，正极的制备中，过渡金属氧化物用量为30-90 wt%；导电剂为乙炔黑、超级碳、碳纳米管、碳粉、石墨等导电碳材料，用量为1-30 wt%；粘结剂为聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏二氟乙烯（PVDF）等，用量为1-20 wt%；粘结剂PVDF可溶解在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，按PVDF与NMP之比为1：10制成；集流体为不锈钢箔或泡沫镍。