本发明涉及二次电池领域，具体涉及一种电池及其组装方法，尤其涉及一种以含碘的离子液体为正极活性物质的电池及其组装方法。
背景技术：
锂离子电池曾被认为是电动汽车最具开发潜力的动力电池；然而，随着镍、钴、锂等贵金属的开发，锂离子动力电池原材料大幅度上涨，目前，电池级碳酸锂价格与2014年底相比，价格上涨了4倍多，严重制约了新能源车辆的推广与应用；锂离子动力电池安全性差，回收经济效益差也是制约其发展的重要因素。因此，研发、生产廉价、环境友好、能量密度高的二次电池一直是会被广泛关注的。
卤素与廉价金属铝、镁是在自然界广泛存在的元素，从电化学原理上，卤素可以与各种金属分别作为正、负电极组成电池；铝、镁在理论上作为负极材料分别有2980ah/kg和2206ah/kg的高容量，与标准氢电极相比，具有非常低的电势(分别为-1.66v和-2.37v)，基于卤素、铝、镁的电池是非常吸引人的。但是，在有水的体系中，铝、镁作为电极存在严重的析氢反应；在有机体系中，铝、镁存在较厚的钝化膜，al3+、mg2+离子要穿过钝化膜迁移到电解液中是很缓慢的，所以铝、镁电极表现出动力学上的迟缓和不活泼性，这些原因制约了它们的应用。
本发明采用离子液体作为电解液，以含碘的离子液体作为正极活性物质，以铝或镁作为负极，铝、镁电极在离子液体中不存在钝化膜，因此具有较高的可逆性，本发明是一种廉价、环保、高能量比的电池体系。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提供了一种电池及其组装方法，特别是一种以含碘的离子液体为正极活性物质的电池及其组装方法。
为达此目的，本发明采用了以下技术方案：
在第一方面，本发明提供了一种电池，其包括由阳离子交换膜隔开的正极室和负极室；所述正极室的电解液中包括含碘的离子液体，所述负极室中注入有离子液体电解液。
本发明中，采用阳离子交换膜把正负极隔开形成正极室和负极室，正极插入正极室，将含碘的离子液体注入正极室内，作为正极活性物质；离子液体电解液注入负极室，金属al或金属mg片浸入该离子液体电解液中，作为负极，构置成新型电池。
本发明的电池放电时，正极的碘得到电子，碘变成碘离子进入电解液；如果负极采用铝金属，负极铝金属失去电子，变成铝离子，并与电解液中的碘离子结合成碘化铝，溶解在电解液中；同样的，如果负极采用镁金属，化学反应相类似。本发明的电池充电态，碘单质是一种液体，并且会络合大量的z-阴离子，形成离子液体，也就是本发明所述的含碘的离子液体，这时候，正极的活性材料(含碘的离子液体)会迁移到负极，并且与负极的金属产生放电反应，因此必须阻止碘的迁移。本发明提供的电池通过采用一种阳离子交换膜来阻止含碘的离子液体向负极迁移，从而实现储存电能。
本发明所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组份赋予所述电池不同的特性。除此之外，本发明所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
根据本发明，所述含碘的离子液体是通过碘单质(碘素)与有机盐反应得到的。
本发明提供的含碘的离子液体是作为一种新型的化学体系，以液体的形式存在于电池的正极活性材料中的。通过将该含碘的离子液体添加到正极活性材料中，从而使制得的二次电池拥有更高的比能量，实现快速充放电，延长循环寿命，并且原材料成本低。
根据本发明，所述有机盐的通式表示为[x]+z-；其中，[x]+表示有机阳离子，z-表示阴离子。
本发明中所述有机盐是由体积较大的有机阳离子和体积较小的阴离子构成的，此类物质具有很多独特性能，例如物理化学性质稳定、蒸汽压极低而不易挥发、对有机和无机物皆有良好的溶解性以及极性可调控等。
在本发明中，所述有机阳离子可以采用咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子或季膦盐离子中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子或季膦盐离子中的任意一种，典型但非限制性的组合为：咪唑鎓离子和吡啶鎓离子；吡啶鎓离子和吡咯鎓离子；吗啉鎓离子、季铵盐离子和季膦盐离子等。
根据本发明，所述有机阳离子优选采用季铵盐离子，其相比其它有机阳离子的优势在于：季铵盐(含有季铵盐离子的有机盐)是一种常用的化学品，其生产工艺成熟，价格低廉，可大规模采购使用。
在本发明中，所述阴离子可以采用f-、cl-、br-、i-、pf6-、pb4-、cn-、scn-、cf3so3-、cf3coo-、sbf6-、n(cf3so2)2-、n(cn)2-、clo4-、hso4-、hco3-、oh-或no3-中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是f-、cl-、br-、i-、pf6-、pb4-、cn-、scn-、cf3so3-、cf3coo-、sbf6-、n(cf3s02)2-、n(cn)2-、clo4-、hso4-、hco3-、oh-或no3-中的任意一种，典型但非限制性的组合为：f-和cl-；br-和i-；i-和pf6-；cl-、br-和scn-等。
示例性地，本发明中所述有机盐可以是：1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([c4-min]pf4)、1,3-双(2,6-二异丙基苯基)咪唑鎓氯盐、2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-正-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-甲基-3-丙基碘化咪唑鎓、十六烷基氯化吡啶、三碘化吡啶鎓、n-烯丙基-2-烷基氯化吡啶鎓盐、1-丁基-1-甲基碘化哌啶鎓、氯代二哌啶碳鎓六氟磷酸盐、十六烷基三甲基氯化铵、四甲基氯化铵、乙基三苯基碘化膦或十六烷基三丁基碘化膦等。
示例性地，本发明中所述含碘的离子液体可以是四乙基多卤化铵、四丁基多卤化铵、1-乙基-3-甲基-多卤咪唑、苯基三甲基多卤化铵、苄基三乙基多卤化铵、苄基三甲基多卤化铵、十二烷基三甲基多卤化铵中的任意一种或至少两种的组合。
根据本发明，所述电池的正极室中插入有正极，所述正极优选采用碳电极。
本发明中的碳电极所采用的碳材料为碳纳米管、碳量子点、石墨、膨胀石墨、石墨烯、炭黑或纳米碳粉中的任意一种或至少两种的组合，例如碳纳米管、碳量子点、石墨、膨胀石墨、石墨烯、炭黑或纳米碳粉中的任意一种，典型但非限制性的组合为：碳纳米管和碳量子点；碳量子点和石墨；膨胀石墨和石墨烯；石墨和炭黑；碳量子点、石墨和炭黑；石墨、炭黑和纳米碳粉、膨胀石墨和炭黑、碳纳米管和石墨烯和炭黑等。
根据本发明，所述负极室中插入有负极，所述负极为镁或铝中的任意一种，由此构成铝二次电池或镁二次电池。
根据本发明，用于隔开正极室和负极室所用的膜为阳离子交换膜，本发明中的“阳离子交换膜”意指允许阳离子而非阴离子通过。阳离子交换膜对于本领域技术人员而言是已知的，而且基于使用的环境和操作条件选择此类膜。示例性的阳离子交换膜有：nafion膜、selemion膜、daramic膜，可以采用其中任意一种作为电池隔膜。
本发明之所以采用阳离子交换膜，其原因在于：本发明电池放电时，正极的碘得到电子，碘变成碘离子进入电解液；如果负极采用铝金属，负极铝金属失去电子，变成铝离子，并与电解液中的碘离子结合成碘化铝，溶解在电解液中；同样的，如果负极采用镁金属，化学反应相类似；本发明的电池充电态，碘单质是一种液体，并且会络合大量的z-阴离子，形成离子液体，也就是本发明所述的含碘的离子液体，这时候，正极的活性材料(含碘的离子液体)会迁移到负极，并且与负极的金属产生放电反应，因此本发明提供的电池采用一种阳离子交换膜来阻止含碘的离子液体向负极迁移，从而实现储存电能。
根据本发明，所述负极室中的离子液体电解液是通过无水卤化铝与通式为[x]+z-的有机盐反应得到的，其化学反应可以用下列方程式表达：
alt3+[x]+z-→[x]+[alt3z]-
其中，所述无水卤化铝的通式表示为alt3，其中，t表示f、cl、br或i中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是f、cl、br或i中的任意一种，典型但非限制性的组合为：f和cl，cl和br、br和i，f、cl和br。
示例性地，所述无水卤化铝为albr3、alcl3、ali3、alf3、alclbr2、alcl2br、alcli2、alicl2、alibr2、ali2br、alfbr2、alf2br、alfcl2、alf2cl、alfi2或alf2i中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是albr3、alcl3、ali3、alf3、alclbr2、alcl2br、alcli2、alicl2、alibr2、ali2br、alfbr2、alf2br、alfcl2、alf2cl、alfi2或alf2i中的任意一种，典型但非限制性的组合为：albr3和alcl3，ali3和alf3，alfbr2、alf2br和alfcl2，alicl2和alibr2，ali2br和alfbr2，alf2cl、alfi2和alf2i。
根据本发明，与无水卤化铝进行反应的有机盐的通式为[x]+z-，其中，[x]+表示有机阳离子，z-表示阴离子。
在本发明中，所述有机阳离子为咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子或季膦盐离子中的任意一种或至少两种的组合，优选为季铵盐离子。
在本发明中，所述阴离子为f-、cl-、br-、i-、pf6-、pb4-、cn-、scn-、cf3so3-、cf3coo-、sbf6-、n(cf3so2)2-、n(cn)2-、clo4-、hso4-、hco3-、oh-或no3-中的任意一种或至少两种的组合。
本发明的电化学原理是基于碘与铝或镁的氧化还原反应，其中，碘与铝的氧化还原反应的化学方程式如下：
3i2+2al+2[x]+[alt3z]-＝2[x]+[al2i3t3z]-
放电时，正极的碘得到电子，碘变成碘离子进入电解液；负极铝金属失去电子，变成铝离子，并与电解液中的碘离子结合成碘化铝，溶解在电解液中。本发明的电池充电态，碘单质常温下是一种液体，并且会络合大量的z-阴离子，形成离子液体，也就是本发明所述的含碘的离子液体，这时候，正极的活性材料(含碘的离子液体)会迁移到负极，并且与负极的铝产生放电反应，因此必须阻止碘的迁移。因此，本发明设计的电池需采用一种阳离子交换膜来阻止含碘的离子液体向负极迁移，这也是本发明实现储存电能的最基本条件，因此，本发明所采用的隔膜是一种阳离子交换膜，这种阳离子交换膜可以是商用的质子交换膜，主要包括nafion膜、selemion膜、daramic膜。
在第二方面，本发明还提供了一种如第一方面所述电池的组装方法，其包括如下步骤：
(1)将正极、含碘的离子液体和离子液体电解液放在充满氩气的手套箱中；
(2)使用阳离子交换膜与密封环，进行叠片、组装；
(3)将正极插入正极室，含碘的离子液体注入正极室，离子液体电解液注入负极室，金属负极浸入离子液体电解液中，然后经过封口、清洗、化成，即得到所述电池。
对于电池的组装方法，本发明不做特殊限定，除了上述组装方法外，还可以通过如下方法进行组装：
首先，通过使用涂布法等在正极集流体的一个表面上形成包含含碘的离子液体作为正极活性物质的正极活性物质层以形成正极，随后，通过使用涂布法等在负极集流体的一个表面上形成包含负极活性物质的负极活性物质层以形成负极；随后，将正极容纳在外包装壳中，并将负极容纳在外包装盖中，最后，利用浸渍有离子液体电解液的阳离子交换膜和垫圈将外包装壳和外包装盖锻压，由此，完成二次电池的组装。
本发明的电池可以形成圆筒型、硬币型、方形以及其它任意的形状，电池的基本构成不取决于形状，而是相同的，可以根据目的变更设计而实施。
本发明的电池，例如是圆筒型，在负极集流体上涂布负极活性物质而成为负极，在正极集流体上涂布正极活性物质而成为正极，使阳离子交换膜介于该负极和正极之间卷绕起来，将卷绕的卷绕体收纳在电池壳中，将含碘的离子液体注入电池正极室，将离子液体电解液注入电池负极室，以上下载置绝缘板的状态密封起来而得到。
另外，在使用硬币型电池时，以叠层的状态将圆盘状负极、阳离子交换膜、圆板状正极和不锈钢板收纳在硬币型电池壳中，将含碘的离子液体注入电池正极室，离子液体电解液注入电池负极室而密封起来。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明采用离子液体作为电解液，以含碘的离子液体作为正极活性物质，以铝或镁作为负极，铝、镁电极在离子液体中不存在钝化膜，因此具有较高的可逆性，本发明提供了一种廉价、环保、高能量比的电池体系。
附图说明
图1是本发明电池的结构示意图。
图中：1-含碘的离子液体，2-碳电极，3-阳离子交换膜，4-金属负极，5-离子液体电解液。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
本发明中电池的组成和组装均采用如下通用方法在实验室规模上得以实现：
电池的构成：
如图1所示，本发明的电池，包括由阳离子交换膜3隔开的正极室和负极室；所述正极室的电解液中包括含碘的离子液体1，所述负极室包括离子液体电解液5；所述正极室插入有碳电极2，碳电极作为正极，所述负极室插入有金属负极4。阳离子交换膜把正负极隔开，含碘的离子液体1注入正极室内，作为正极活性物质；离子液体电解液5注入负极室，金属负极包括al或mg片浸入离子液体电解液中，作为负极，构置成电池。
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种电池，包括由nafion膜隔开的正极室和负极室；正极室的电解液中包括四乙基三碘化铵，负极室中注入有离子液体电解液；正极室中插入有碳纳米管正极，负极室中浸入有铝负极。
其中离子液体电解液是由无水氯化铝与1-乙基-3甲基-咪唑氯盐按摩尔比2:1混合反应制得。
电池的组装方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳纳米管正极，四乙基三碘化铵，离子液体电解液放在充满氩气的手套箱中；
(2)使用nafion膜与密封环，进行叠片、组装；
(3)将碳纳米管正极插入正极室，将四乙基三碘化铵注入电池正极室；离子液体电解液注入电池负极室，铝负极浸入离子液体电解液，然后经过封口、化成、清洗，即得到所述电池。
实施例2
与实施例1相比，采用selemion膜替代nafion膜，其它与实施例1相同。
实施例3
与实施例1相比，采用daramic膜替代nafion膜，其它与实施例1相同。
实施例4
与实施例1相比，采用石墨作为正极，其它与实施例1相同。
实施例5
一种电池，包括由selemion膜隔开的正极室和负极室；正极室的电解液中包括四丁基三碘化铵，负极室注入有离子液体电解液；正极室中插入有碳纳米管正极，负极室中浸入有镁负极。
其中离子液体电解液由无水氯化铝和1-丙基-3-甲基咪唑氯化物按摩尔比为1.5:1混合反应制得。
电池的组装方法，具体包括如下步骤：
(1)将石墨正极，四丁基三碘化铵，离子液体电解液放在充满氩气的手套箱中；
(2)使用selemion膜与密封环，进行叠片、组装；
(3)将石墨正极插入正极室，将四丁基三碘化铵注入电池正极室，离子液体电解液注入电池负极室，镁负极浸入离子液体电解液中，然后经过封口、化成、清洗，即得到所述电池。
本发明通过采用离子液体作为电解液，以含碘的离子液体作为正极活性物质，以铝或镁作为负极，铝、镁电极在离子液体中不存在钝化膜，因此具有较高的可逆性；本发明是一种廉价、环保、高能量比的电池体系。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。