[发明专利]一种非水系铝离子电解液及二次电池

说明书

本发明提供了一种非水系铝离子电解液，为铝盐和N‑甲基乙酰胺共熔形成的室温低共熔溶液，适用于铝离子二次电池。当上述铝盐与N‑甲基乙酰胺混合时，AlCl₃发生歧化反应，生成AlCl₄^‑与AlCl₂⁺。本发明提供的非水系铝离子电解液具有良好的离子电导率、低挥发性、高化学稳定性以及在铝金属上发生可逆的电化学沉积/溶解反应的能力。将上述电解液应用于铝离子二次电池体系中能显著提升电池的循环稳定性和倍率性能，组成的电池体系安全性高、成本低、电化学性能好，其在大规模储能领域有着重要的潜在应用价值与发展前景。

技术领域

本发明涉及铝离子电池技术领域，尤其涉及一种非水系铝离子电解液及二次电池。

背景技术

发展高效且可持续储能系统的需求在当今社会不断增长。当今世界的发展离不开能源与环境，追求可再生能源的使用、减少对不可再生能源的依赖已经逐渐成为了全球发展的趋势。可再生能源对电网不稳定供应严重，限制了其在生产方面大规模应用，因此需要研发经济环保并且高效的电池，并能够广泛地运用于电能储存。由于锂离子电池具有高能量密度与成熟的制造工艺，在当前二次电池的应用中占领着主导地位。然而锂离子电池具有锂储量有限以及电池安全性等问题。因此，在不损害其安全性或性能的前提下，开发基于低成本，安全的电池系统已成当务之急。金属铝在地球上资源丰富，铝离子电池常常采用金属铝作为阳极，其在电化学反应中可交换三个电子，理论上具有四倍于金属锂的体积比容量。此外，铝离子电池还具有高安全性和低成本等优点，其在大规模储能领域有着重要的潜在应用价值与发展前景。

作为离子在负极和正极之间传递的介质，电解质对铝离子电池的电化学性能起着至关重要的作用。由于水性电解质对铝的氧化还原电势窗口的限制以及缺乏合适的正极材料，因此进展甚微。研究人员应用了不可燃离子液体电解质，由于其宽的电化学势能窗口而显示出希望，但它们通常遭受高粘度的限制，这限制了离子在电解质中的快速迁移并抑制了性能。另外，电解质和电极之间的直接相互作用需要电解质与电极界面处的材料互相兼容。

非水系铝离子二次电池基于铝金属为负极，石墨材料为正极，使用离子液体作为电解液目前存在的最大问题是该体系无法满足电池高能量密度的要求且具有较高的成本，这样的表现也限制了非水系铝离子二次电池在商业化方面的应用。在非水系铝离子二次电池的电解质选择中，发现由AlCl₃与有机物混合组成的低共熔溶剂具有与离子液体相似的性质，即在铝-石墨体系中作为电解液，同样存在AlCl₄^-离子可以在石墨中发生插层反应。低共熔溶剂作为电解液在具有更低成本的同时也能在铝-石墨体系中得到较高的容量。然而，大部分有机物难以与三氯化铝在常温下形成流动性良好的低共熔溶液，因此也不具有导电性，无法作为电池中的电解液。即使能够形成流动性良好的低共熔溶液，从容量上，相比离子液体也并不具有较大的优势。

因此需要寻找一种低成本、无毒的电解液适用于铝离子电池并能取得较高容量。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种非水系铝离子电解液及二次电池，制备的铝离子电池具有高比容量、高循环寿命和低成本的优势。

为达到上述目的，本发明提供了一种非水系铝离子电解液，为铝盐和N-甲基乙酰胺(C₃H₇NO)共熔形成的室温低共熔溶液。

上述室温低共熔溶液也可以称之为低共熔溶剂。

本发明优选的，所述铝盐为三氯化铝(AlCl₃)。

本发明优选的，所述铝盐和N-甲基乙酰胺的摩尔比为1～2:1；更优选为1.4～1.7:1；进一步优选为1.6～1.7:1，再优选为1.4:1、1.5:1、1.6:1或1.7:1。

本发明优选的，所述室温低共熔溶液完全干燥，即不含水。