一种铝离子电池及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种铝离子电池及其制备方法，属于离子电池及其制备领域。此铝离子电池包含正极、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；当铝离子电解质为液态时，电池中包含隔膜材料。由于铝元素储量丰富，大大降低了离子电池的成本，并且提高了安全性能；过渡金属氧化物由于可变价和不同价态下的相对稳定性，有利于在超价离子电池中的应用；采用离子液体作为超价离子电池的电解质，铝离子电导率高，热稳定性好，电化学窗口较宽，化学稳定性高，与电池体系中的正负极材料、集流体、粘结剂、隔膜等基本不发生反应，在较宽的温度范围内保持液态。本发明可应用于众多领域，如电子工业、通讯产业、电动汽车等。
【专利说明】一种绍罔子电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]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。
[0002]
【背景技术】
[0003]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】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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vox、Ta2O5, Nb2O5, TiO2, Cr2O3> MnOx, FeOx, CoO2, CuOx, ZnO、MoO3 中的一种或几种任意比例的混合物。[0011]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。
[0012]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:
O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 μ m ；
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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]进一步，所述步骤3)中，负极的清洗方法为，用有机液体，无水乙醇或丙酮，浸泡时间为1-5小时，并超声震荡，干燥后，作为负极。
[0017]进一步，所述步骤5)中，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或者玻璃纤维。
[0018]由于本发明对超价离子电池正负极组成、隔膜、电解质等进行了严格细致的挑选、科学合理的组配，并结合精密制备方法，本发明达到下述特点:提出了一种新型离子电池体系，即超价离子电池体系，使可移动电源的种类进一步扩展；由于铝元素储量丰富，价格低廉，大大降低了离子电池的成本，并且提高了离子电池的安全性能；过渡金属氧化物由于过渡金属的可变价和不同价态下的相对稳定性，有利于在超价离子电池中的应用；隔膜具有良好的电绝缘性，电阻低，对电解质离子具有很好的通透性，具有较好的化学稳定性和电化学稳定性，对电解质润湿性好；有一定的机械强度，可选用的品种多；采用离子液体作为超价离子电池的电解质，铝离子电导率高，热稳定性好，电化学窗口较宽，化学稳定性高，与电池体系中的正负极材料、集流体、粘结剂、隔膜等基本不发生反应，在较宽的温度范围内保持液态。本发明的可应用于众多领域，如电子工业、通讯产业、电动汽车等。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为实施例1制备的铝离子电池循环伏安曲线；
图2为实施例1制备的铝离子电池的充放电性能测试曲线；
图3为实施例1制备的铝离子电池的循环性能测试曲线。
[0020]【具体实施方式】
[0021]本发明的超价离子电池结构有扣式状、圆柱状、方形状等多种形状，它们主要包括电池壳体、正极、负极、隔膜以及注入的电解质等。电池壳体主要由不锈钢壳、铝壳或者镀镍钢壳等制造。正极材料主要为过渡金属氧化物V0X、Ta2O5, Nb2O5, TiO2, Cr2O3> MnOx, FeOx,CoO2, CuOx, ZnO、MoO3等正极材料的集流体为不锈钢箔或泡沫镍，负极材料为高纯铝箔。隔膜材料采用聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料或者玻璃纤维。电解质材料为AlCl3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等按一定比例合成的离子液体。
[0022]实施例1:
用VO2作为正极活性物质，将其和导电剂乙炔黑以及粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)按质量比75:15:10的比例进行混合，加入到无水乙醇中进行分散，超声震荡后在60 ° C烘箱中烘干至凝胶状，将凝胶状物均匀涂布在不锈钢箔上，作为超价离子电池正极，将其在120 ° C烘箱中干燥12小时，然后在充满氩气的手套箱中组装电池。对电极为高纯金属铝片，将其在无水乙醇中浸泡3小时，并超声震荡，干燥后，作为负极。将AlCl3和1-丁基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1:1合成离子液体，作为本发明超价离子电池的电解质。隔膜为玻璃纤维(GF/D，Whatman)ο电池经封口、洗净、包装、轧边和检验，得到超价离子电池产品。电池装好12小时后，在0.01-0.9 V之间进行充放电测试。如图1至图3，显示出良好的电化学性能。
[0023]实施实例2:
用Ta2O5作为正极活性物质，将其和导电剂超级碳以及粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)按质量比80:10:10的比例进行混合，加入到无水乙醇中进行分散，超声震荡后在60°C烘箱中烘干至凝胶状，将凝胶状物均匀涂布在不锈钢箔上，作为超价离子电池正极。在120°C烘箱中干燥12小时，然后在充满氩气的手套箱中组装电池。对电极为高纯金属铝片。将AlBr3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1.1:1合成离子液体，作为本发明超价离子电池的电解质。隔膜为聚丙烯微孔隔膜材料。电池经封口、洗净、包装、轧边和检验，得到超价离子电池产品。
[0024]实施实例3:
用Nb2O5作为正极活性物质，将其和导电剂碳纳米管以及粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)等按质量比75:15:10的比例进行混合，加入到无水乙醇中进行分散，超声震荡后在60°C烘箱中烘干至凝胶状，将凝胶状物均匀涂布在泡沫镍上，作为超价离子电池正极。在120°C烘箱中干燥12小时，然后在充满氩气的手套箱中组装电池。对电极为高纯金属铝片。将AlCl3和1-丙基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1.2:1合成离子液体，作为本发明超价离子电池的电解质。隔膜为聚乙烯微孔隔膜材料。电池经封口、洗净、包装、轧边和检验，得到超价离子电池产品。
【权利要求】
1.一种铝离子电池，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，铝离子电解质为液态时，电池中包含隔膜材料。
3.根据权利要求2所述的铝离子电池，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，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。
5.根据权利要求4所述的铝离子电池，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，所述正极材料的过渡族金属氧化物为 VOx、Ta2O5' Nb2O5' Ti02、Cr2O3> MnOx、FeOx、CoO2, CuOx、Zn。、MoO3 中的一种或几种任意比例的混合物。
7.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，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。
8.如权利要求1所述铝离子电池的制备方法，其特征在于，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 μ m ； 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。
9.根据权利要求8所述铝离子电池的制备方法，其特征在于，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；粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)中的一种。
10.根据权利要求8所述铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中过渡金属氧化物用量为30-90 wt%、导电剂为1-30 wt%、粘结剂为1-20 wt%。
【文档编号】H01M10/054GK103825045SQ201410115329
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】焦树强, 王伟, 胡丽文, 孙禾, 孙浩博, 赵飞 申请人:北京科技大学