为正极材料的铝离子电池及其制备方法
【专利摘要】一种采用MoS2为正极材料的铝离子电池及其制备方法，属于电池【技术领域】，可广泛应用于电子产业、通讯产业等领域，也可应用于电动汽车的动力电池。本发明的铝离子电池包含正极活性物质、负极、隔膜材料、液态铝离子电解液及电解池装置，其中正极活性物质为MoS2，负极为高纯铝片，液态离子电解液为含有Al3+离子的非水溶液电解液。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、充放电效率高、循环稳定性好以及充放电特性优异，且电极材料来源广泛、制备容易、成本低、绿色环保且价格低廉。
【专利说明】一种采用MoS2为正极材料的铝离子电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种采用MoS2为正极材料的铝离子电池及其制备方法，可作为新型绿色能源电池应用于电子产业、通信产业及电动车动力电池等领域。
【背景技术】
[0002]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。自日本SONY公司成功推出锂离子电池以来，锂离子电池便迅速在电子产品、动力能源、军事领域等多方面得到了广泛的应用，目前正在向电动汽车的动力电池工业方面发展。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。从而，近年来，作为瞄准高容量化、可代替锂离子的离子导电体，采用多阳离子的课充电电池研究日益活跃。
[0003]铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，而且开采成本低，价格便宜，若作为电池材料，铝离子充电电池交换3价的Al3+，有望大幅提高容量，所以基于铝离子嵌入和脱嵌的多价离子电池有望用于大规模储能设备。因此，开发出比容量高、安全性能好、循环稳定性好的新型多价离子电池，具有十分重要的商业利用价值。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种可取代锂离子电池的新型二次电池，及多价离子可充电电池及其制备方法，实现了可充电铝离子电池的高容量充放电，而且循环性能好和安全性能高。
[0005]为实现上述目的，本发明提供以下技术方案:
[0006]本发明提出的可充电铝离子电池，其工作原理与现有的锂离子电池、钠离子电池工作原理相似。
[0007]一种采用MoS2为正极材料的铝离子电池，其特征包含正极活性物质和导电材料及其粘结剂组成的复合材料、负极和铝离子非水溶液电解液及电解池装置，其中正极活性物质为MoS2，负极为高纯铝；铝离子非水溶液电解液由3-甲基咪唑类化合物与无水氯化铝按比例混合而成。
[0008]所述MoS2材料为市售、或通过化学方法和物理方法制备的微米级或纳米级MoS2,其中化学方法包括化学气相沉积法、高温硫化法、前驱体分解法、水热法和溶液法等；物理方法包括机械研磨法、等离子喷涂法和高压电弧法等。
[0009]所述复合材料中所采用的导电材料为钼浆、银浆、无定形碳和Super-P，其中当使用无定形碳和Super-P时要加10% (质量分数)的粘结剂。
[0010]所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)中的一种。
[0011]所述3-甲基咪唑类化合物包括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。
[0012]所述铝离子电池的电解液中无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物的质量比为
1.1:1-1.6:1，优选比例为 1.3:1.,
[0013]所述的电解池装置为玻璃电解池或塑料电解池。
[0014]如上所述采用10?为正极材料的铝离子电池的制备方法，包括以下制备步骤:
[0015]1)将正极材料10?和导电材料及其粘结剂组成的复合材料均匀固定在打磨干净的惰性金属箔片集流体上，并用隔膜材料包裹，其中惰性金属箔片集流体为钥片、钛片、泡沫镍或金及钼族等贵金属；
[0016]2)将厚度为0.2-2111111的高纯铝，清洗后作为负极材料；
[0017]3)配制含有可自由移动的八离子的非水溶液电解液；
[0018]4)准备好正极材料、负极材料以及铝离子非水溶液电解液后，在无氧环境(如手套箱内)中组装电池；
[0019]5)电池组装好后，将其电极全部插入电解液中，待电解液全部润湿电极后再进行充放电测试。
[0020]铝离子电池所用的电解池装置为玻璃电解池或塑料电解池。
[0021]上述铝离子电池制备方法步骤(1)中，所述隔膜材料为具有离子通透性且不与正负极反应，而且具有稳定的化学性能、良好的机械性能和电化学稳定性，如聚烯烃微孔膜隔膜材料和玻璃纤维材料。
[0022]上述铝离子电池制备方法步骤(1)中，所述10?材料与导电材料按比例混合均匀，然后将其固定在惰性金属集流体上，作为正极，其中固定方式可以为涂抹、压制及粘接。
[0023]上述铝离子电池制备方法步骤(1)中，若使用无定形碳或作为导电材料时，10?材料用量为50-85% (质量分数〉、导电材料为10-40% (质量分数〉、粘结剂为5-10% (质量分数若使用钼浆或银浆作为导电材料时，10?材料用量为60-90% (质量分数)、导电材料为10-40 % (质量分数)。
[0024]上述铝离子电池制备方法步骤(2)中，首先将高纯铝裁剪成片状，然后将其用砂纸打磨平滑，再将其进行清洗，其中清洗的方法为，用有机液体，如无水乙醇或丙酮浸泡并超声震荡，然后在60-120摄氏度烘箱里进行干燥。
[0025]上述铝离子电池制备方法步骤(3)中，含有八离子的液态非水溶液电解液必须在手套箱中进行配制，然后将其精置12小时以上后方能使用。
[0026]本发明使用10?作为正极，高纯铝作为负极，构成了一种可充电的铝离子电池。由于本发明对正负极材料、隔膜及其电解液等通过实验研究进行了精细的选择，并结合严密的制备方法，所以本发明具有以下特点:提出了一种新型多价离子，即铝离子电池体系，这也促进了储能设备的发展；由于铝元素在地壳的储量丰富，价格便宜，大大降低了电池的制备成本，同时也提高了离子电池的安全性能；1032的化学稳定性和热稳定性好、比表面积大、表面活性高，因此具有独特的物理和化学特性，所以在电化学储能方面有着广泛的应用前景；隔膜具有良好的绝缘性能，对电解液离子具有很好的通透性能，具有较好的化学稳定性和电化学稳定性；招离子电解液，导电率高，热稳定性好，与电池中正负极材料、隔膜和粘结剂等不发生化学反应；本发明的铝离子电池可广泛应用于电子产业、通讯产业等领域，也可应用于电动汽车的动力电池。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为实施例1制备的铝离子电池前2圈充放电性能测试曲线；
[0028]图2为实施例2制备的铝离子电池的循环性能测试曲线。
【具体实施方式】
[0029]本发明下面将通过具体实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
[0030]实施例1
[0031]用MoS2作为正极活性物质，正极片组装按MoS2:钼浆质量比为70:30的比例混合均均匀，然后将凝胶状物均匀的涂抹在1mmX 20mm的钥片上，最后在60-120摄氏度烘箱静置12小时以上烘干后用GF/D隔膜材料包裹作为电池正极。负极为高纯铝，将其在无水乙醇中浸泡1-2小时，并超声震荡干燥后，裁剪成1mmX 20mm的片状作为负极。将无水氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按质量比为1.3:1在氩气环境的手套箱内配制成离子液体，作为本发明的铝离子电池电解液。最后将准备好的正极、负极及电解液在手套箱内组装成电池。电池装好12小时后，在0.5-2.15V之间进行充放电测试。
[0032]实施例2
[0033]用MoS2作为正极活性物质，将其和导电材料Super-P以及粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)按质量比为75:15:10的比例进行混合，加入到无水乙醇中进行分散，并在超声震荡20-30min混合均匀后搁置在60摄氏度的烘箱中烘至凝胶状，然后将凝胶状物均匀的涂抹在1mmX20mm的钥片上，最后在60-120摄氏度烘箱静置12小时以上烘干后用GF/D隔膜材料包裹作为电池正极。负极为高纯铝，将其在无水乙醇中浸泡1-2小时，并超声震荡干燥后，裁剪成1mmX 20mm的片状作为负极。将无水氯化铝和1-乙基_3_甲基咪唑氯化物按质量比为1.3:1在氩气环境的手套箱内配制成离子液体，作为本发明的铝离子电池电解液。最后将准备好的正极、负极及电解液在手套箱内组装成电池。电池装好12小时后，在0.5-2.15V之间进行充放电测试。
【权利要求】
1.一种采用MoS2为正极材料的铝离子电池，其特征在于包含正极活性物质和导电材料及其粘结剂组成的复合材料、负极和铝离子非水溶液电解液及电解池装置，其中正极活性物质为MoS2，负极为高纯铝；铝离子非水溶液电解液由3-甲基咪唑类化合物与无水氯化铝按比例混合而成。
2.如权利要求1所述采用MoS2为正极材料的铝离子电池，其特征在于所述MoS2材料为市售、或通过化学方法和物理方法制备的微米级或纳米级MoS2，其中化学方法包括化学气相沉积法、高温硫化法、前驱体分解法、水热法和溶液法；物理方法包括机械研磨法、等离子喷涂法和高压电弧法。
3.根据权利要求1所述的采用MoS2为正极材料的铝离子电池，其特征在于，所述复合材料中所采用的导电材料为钼衆、银衆、无定形碳和Super-Ρ,其中当使用无定形碳和Super-P时要加10%的粘结剂。
4.如权利要求1或所述采用MoS2为正极材料的铝离子电池，其特征在于所述的粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种。
5.如权利要求1所述采用MoS2为正极材料的铝离子电池，其特征在于所述3-甲基咪唑类化合物包括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。
6.如权利要求1所述采用MoS2为正极材料的铝离子电池，其特征在于所述铝离子电池的铝离子非水溶液电解液中无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物的质量比为1.1:1-1.6:1。
7.根据权利要求1所述的采用MoS2为正极材料的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)将正极材料MoS2均匀固定在打磨干净的惰性金属箔片集流体上，并用隔膜材料包裹，其中惰性金属箔片集流体为钥片、钛片、泡沫镍或金及钼族金属； 2)将厚度为0.2-2mm的高纯铝，清洗后作为负极材料； 3)配制含有可自由移动的Al3+离子的非水溶液电解液； 4)准备好正极材料、负极材料以及铝离子非水溶液电解液后，在无氧环境中组装电池； 5)电池组装好后，将其电极全部插入铝离子非水溶液电解液中，待铝离子非水溶液电解液全部润湿电极后再进行充放电测试。
8.根据权利要求7所述的采用MoS2为正极材料的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，所述隔膜材料为具有离子通透性且不与正负极反应，而且具有稳定的化学性能、良好的机械性能和电化学稳定性，包括聚烯烃微孔膜隔膜材料和玻璃纤维材料。
9.根据权利要求7所述的采用MoS2为正极材料的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，MoS2材料与导电材料按比例均匀混合，然后将其固定在惰性金属集流体上，作为正极，其中固定方式为涂抹、压制及粘接。
10.根据权利要求7所述的采用MoS2为正极材料的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，在使用无定形碳或Super-P作为导电材料时，1^2材料用量为50_85%、导电材料为10-40%、粘结剂为5-10% ;在使用钼浆或银浆作为导电材料时，MoS2材料用量为60-90%、导电材料为10-40%。
11.根据权利要求7所述的采用10?为正极材料的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，首先将高纯铝裁剪成片状，然后将其用砂纸打磨平滑，再将其进行清洗，其中清洗的方法为，用无水乙醇或丙酮浸泡并超声震荡，然后在60-120摄氏度烘箱里进行干燥。
12.根据权利要求7所述的采用10?为正极材料的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，含有八离子的液态非水溶液电解液必须在手套箱中进行配制，然后将其精置12小时以上后才能使用。
【文档编号】H01M4/58GK104393290SQ201410592604
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】焦树强, 王帅, 孙浩博, 王俊香, 刘勇 申请人:北京科技大学, 石嘴山市天和创润新材料科技有限公司