[发明专利]一种CuS为正极的铝离子二次电池及其制备工艺

说明书

本发明属于新型绿色能源电池技术领域，尤其涉及一种CuS材料为正极的铝离子二次电池及其制备工艺。其中阴极活性物质为CuS，阳极为金属铝或含铝合金，液态离子电解液为含有Al³⁺离子的非水溶液电解液，采用绝缘的软包包裹或筒状容器装配电池正负极及其电解液等。本发明所提供铝离子二次电池能够反复充放电、具有高容量、循环稳定性好，原材料便宜且环境友好，其首圈充放电比容量分别为270mAhg^‑1和275mAh g^‑1，放电平台高达1.15V vs.Al^3+/Al。该铝离子二次电池可广泛应用于电子产业、通讯产业等众多领域。

技术领域

本发明属于新型绿色能源电池技术领域，尤其涉及一种CuS材料为正极的铝离子二次电池及其制备工艺。

背景技术

随着经济突飞猛进，能源危机和环境污染日益加剧。因此，开发出一种可再生能源，如储能电池成为了当前研究的热点。基于含碳材料的锂离子电池，如以石墨作为阳极、以锂金属氧化物材料（LiCoO₂等）作为阴极，以非质子液体作为电解液的电池，一直是便携式电子应用领域的科学研究中的热点。但是由于锂资源的局限导致成本昂贵以及较大的安全隐患限制了锂离子电池的进一步发展。为了满足更小、更轻、更安全的电子应用新需求，对其工作电压、循环稳定性、能量密度、安全性能和成本等更低的二次电池的需求增加。与锂相比，铝是地球上蕴藏量最丰富的金属，其地壳丰度位居第三。铝离子充电电池交换3价的Al³⁺，因此其比容量有很大的开发潜力。此外，由于其具有更低的反应性，所以铝离子电池可以节约大量成本并大大提高电池安全性能。从而基于铝离子脱嵌的多价离子电池有望用于大规模储能设备。

Jayaprakash等于2011年采用过渡金属氧化物V₂O₅作为铝离子电池的的正极材料，（文献：Jayaprakash N, Das S K, Archer L A. The rechargeable aluminum-ionbattery[J]. Chem. Commun., 2011, 47(47): 12610-12612）。研究发现，其首圈放电比容量约为300 mAh g^-1，20圈后剩余270 mAh g^-1，但是其放电电位仅为0.55 V vs. Al^3+/Al。Liu等在2012年同样采用TiO₂金属氧化物作为铝离子电池的正极材料，（文献：Liu S, Hu JJ, Yan N F, et al. Aluminum storage behavior of anatase TiO₂ nanotube arraysin aqueous solution for aluminum ion batteries[J]. Energy Environ. Sci.,2012, 5(12): 9743-9746)，研究发现其放电电位也较低，仅为0.67 V vs. Al^3+/Al，且循环15圈后，其比容量仅为70 mAh g^-1。焦树强等在2014年申请了中国发明专利 No.CN201410419495.1报道了采用石墨类碳质材料作为铝离子电池的正极材料，高纯铝为负极材料的一种可充电铝离子二次电池。并在2015年申请了中国发明专利No.CN201510188866.4报道了采用石墨结构碳材料作为铝离子二次电池正极材料的铝离子软包电池的制备工艺。该课题组对这一系列材料及工艺进行了大量的相关研究工作，采用碳纸作为铝离子电池正极材料，循环100圈后，其剩余比容量高达67 mAh g^-1，而且有较高的循环稳定性能（文献：Sun H, Wang W, Yu Z, et al. A new aluminium-ion battery withhigh voltage, high safety and low cost[J]. Chem. Commun., 2015, 51(59):11892-11895）。最近，斯坦福大学的Dai等人发表在《Nature》杂志上的一篇名为“一种超快可充电铝离子电池”的文章再次引起了广泛的关注（文献：Lin M C, Gong M, Lu B, etal. An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery[J]. Nature, 2015），研究采用热解石墨和3维石墨泡沫作为铝离子电池正极材料，其比容量稳定在60 mAh g^-1以上。但是迄今为止的专利及文献尚未报道关于CuS及其复合材料作为正极及用这种正极的铝离子二次电池。