一种基于硫/硒阳离子反应的高电压铝-硫/硒电池

本发明涉及一种基于sesx复合正极活性材料，实现硫/硒阳离子氧化/还原反应的高电压铝-硫/硒电池，具体为铝电池。选用硫、硒单质或硫硒化合物与碳材料复合作为正极材料，充放电过程中涉及s和se阳离子的多电子转移，实现高放电比容量和高电压平台的铝-硫/硒电池。

背景技术：

1、铝比容量高、资源丰富、成本低，可充电铝离子电池被认为是下一代能源存储系统的理想选择之一。但是传统铝离子电池正极材料面临着比容量低的问题(如碳正极材料<120mah g-1和金属化合物<300mah g-1)，不能满足高能量密度的需求。硫正极因有着高的理论比容量而得到广泛关注。但硫正极存在导电性差、体积膨胀大、转换反应动力学慢、循环稳定性差等缺点，限制了铝-硫电池的进一步发展。

2、硒作为硫族元素，也被用作电池的正极材料。硒的电导率(1.0×10-3s m-1)远高于硫(5.0×10-28s m-1)。此外，硒的体积比容量高，可以有效减小电池的体积。但是硒单质单独作为正极材料，理论比容量(675mah g-1)相较于硫单质相差甚远。因此，我们采用sesx化合物作为正极材料，既可以获得相对较高的理论比容量，也可以改善正极的电导率。

3、一直以来，研究者们致力于提高铝-硫电池的电压平台，硫阳离子参与氧化还原反应可以使铝-硫电池的电压平台有很大的提升(从～0.6v到～1.75v)。但是硫很难被氧化到更高的价态，在2.4v恒压充电时硫被氧化为低正价(如+1价)，硫的单电子转移反应对应836mah g-1的理论比容量。而硒很容易被氧化到se4+，因此选用含硒的sesx复合材料作为铝离子电池正极材料，在提高电压平台的同时提高放电容量，从而实现高能量密度的铝离子电池。

技术实现思路

1、本发明是为了解决铝离子电池现有的能量密度低以及硫正极导电性差的问题，提供一种基于硫/硒阳离子反应复合正极活性材料，实现高放电比容量和高电压的铝-硫/硒电池技术。

2、为实现上述目标，本发明采取以下技术方案。

3、本发明提供一种基于硫/硒阳离子反应复合正极活性材料，进一步实现硫/硒阳离子氧化/还原反应的高电压铝-硫/硒电池。

4、一种基于硫/硒阳离子反应复合正极活性材料，其特征在于，硫/硒阳离子反应复合正极活性材料是选用硫和硒单质或硫硒化合物与碳材料复合，即为sesx/c复合正极。

5、其中硫、硒单质或硫硒化合物的含量为10-90wt.％，s/se摩尔比x介于1-7；碳材料载体包括但不限于介孔碳、活性碳、碳纳米管、石墨烯、石墨烯组装体、碳微/纳球、碳纳米角、碳纤维中的一种；sesx/c复合正极材料制备方法可采用球磨法、熔融法中的一种，优选熔融法，保温温度在120-200℃，保温时间12h以上。

6、组装的铝-硫/硒电池结构依次包括sesx/c复合正极、隔膜、电解液、al负极。

7、上述电解液包括但不限于alcl3/胺共晶溶剂电解液，胺包括但不限于乙酰胺、尿素、丙酰胺、丁酰胺，优选乙酰胺；或alcl3/有机盐离子液体，有机盐包括但不限于1-乙基-3-甲基卤化咪唑鎓、1-乙基-2,3,5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺，优选1-乙基-3-甲基卤化咪唑鎓。

8、本发明所涉及的隔膜包括但不限于玻璃纤维、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)滤纸；al负极包括但不限于铝箔、铝合金、泡沫铝、多孔铝。

9、组装好的铝-硫/硒电池可在0.1-2.5v(vs.al3+/al)之间进行可逆充放电，最高放电比容量可达1700mah g-1，放电电压平台≥1.5v(vs.al3+/al)。

10、以本发明提供的方法，采用sesx复合正极活性材料，实现了高放电比容量和高电压平台的铝-硫/硒电池。通过电化学活化策略，实现s和se的正价态阳离子为铝-硫/硒电池充电产物之一，其存在形态包括但不限于s2cl+、s2cl2、scl2、s2cl3、scl3+、scl4、scl3·alcl4、se2cl2、secl2、secl3+、secl4、se4+；在铝-硫/硒电池后续充放电循环过程中，涉及的电化学反应是上述阳离子产物与s/se单质或s/se的负价态阴离子(包括但不限于s2-、s-、sn-、se2-、se-)之间的可逆氧化还原反应。组装的铝-硫/硒电池在0.1-2.5v(vs.al3+/al)之间进行可逆充放电，充放电过程中发生涉及s和se阳离子的多电子转移，最高放电比容量可达1700mah g-1，放电电压平台≥1.5v(vs.al3+/al)。

技术特征：

1.一种基于硫/硒阳离子反应复合正极活性材料，其特征在于，硫/硒阳离子反应复合正极活性材料是选用硫和硒单质或硫硒化合物与碳材料复合，即为sesx/c复合正极。

2.按照权利要求1所述的一种基于硫/硒阳离子反应复合正极活性材料，其特征在于，其中硫、硒单质或硫硒化合物的含量为10-90wt.％，s/se摩尔比x介于1-7。

3.按照权利要求1所述的一种基于硫/硒阳离子反应复合正极活性材料，其特征在于，碳材料载体包括但不限于介孔碳、活性碳、碳纳米管、石墨烯、石墨烯组装体、碳微/纳球、碳纳米角、碳纤维中的一种。

4.按照权利要求1所述的一种基于硫/硒阳离子反应复合正极活性材料，其特征在于，sesx/c复合正极材料制备方法采用球磨法、熔融法中的一种；熔融法时，保温温度在120-200℃，保温时间12h以上。

5.采用权利要求1-4任一项所述的复合正极活性材料组装的铝-硫/硒电池结构，其特征在于，依次包括sesx/c复合正极、隔膜、电解液、al负极。

6.按照权利要求5所述的铝-硫/硒电池结构，其特征在于，电解液包括但不限于alcl3/胺共晶溶剂电解液，胺包括但不限于乙酰胺、尿素、丙酰胺、丁酰胺，优选乙酰胺；或alcl3/有机盐离子液体，有机盐包括但不限于1-乙基-3-甲基卤化咪唑鎓、1-乙基-2,3,5-三甲基吡唑-二(三氟甲基磺酰)胺，优选1-乙基-3-甲基卤化咪唑鎓。

7.按照权利要求5所述的铝-硫/硒电池结构，其特征在于，隔膜包括但不限于玻璃纤维、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)滤纸；al负极包括但不限于铝箔、铝合金、泡沫铝、多孔铝。

8.按照权利要求5所述的铝-硫/硒电池结构，其特征在于，组装好的铝-硫/硒电池可在0.1-2.5v(vs.al3+/al)之间进行可逆充放电，最高放电比容量可达1700mah g-1，放电电压平台≥1.5v(vs.al3+/al)。

技术总结
一种基于硫/硒阳离子反应的高电压铝‑硫/硒电池，属于铝离子电池技术领域。实现硫/硒阳离子氧化/还原反应的高电压铝‑硫/硒电池，包括以下技术方案：(1)铝‑硫/硒电池结构依次包括SeSx/C复合正极、隔膜、电解液、Al负极，其中SeSx/C复合正极选用硫、硒单质或硫硒化合物与碳材料复合；(2)对步骤(1)所得铝‑硫/硒电池在0.1‑2.5V(vs.Al3+/Al)之间进行可逆充放电，充放电过程中发生涉及S和Se阳离子的多电子转移，最高放电比容量可达1700mAh g‑1，放电电压平台≥1.5V(vs.Al3+/Al)。

技术研发人员：尉海军,李帅霞,张旭,楚维钦
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13