一种非水溶液铝离子二次电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新型绿色能源电池技术领域，具体涉及一种非水溶液铝离子二次电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着非可再生能源(如:石油、煤炭、天然气)的不断减少及其使用带来的环境压力、温室效应等，开发并利用清洁可再生能源成为了当前研宄的热点。其中电能因为其处于多种能源转换的核心阶段而成为了整个可再生清洁能源发展与利用的关键因素。然而，要实现这些电能的高效利用，则涉及到电能的储存问题。二次电池的可充放性是当前解决电能储存最有效也是最有希望的方式。当前，二次电池仍然以锂离子电池为主，锂离子电池因为其较高的能量密度及高电压平台而广泛应用于手机、电脑等电子产品以及其他便携式电子产品上。但受全球锂储量的影响，锂离子电池的生产成本一直难以降低。同时，目前商业广泛使用的碳负极材料使得其在使用过程中存在安全隐患。受以上各种因素的影响，世界各国的科研人员开始着手研发新型的可充电电池，其中铝离子电池因为地壳中丰富的铝元素及开采的低成本使得其慢慢走入了人们的视线。相对于传统的锂离子，铝离子可以转移三个电子，因此其比容量有很大的开发潜力。此外铝离子半径也小于锂离子半径，有利于离子在电极材料上的脱嵌，从而在理论上有利于保持电极材料的结构，提高电池循环稳定性，延长电池使用寿命。事实上，近期的研宄结果已经表明:铝离子二次电池在长时间的大倍率充放电下仍可保持着良好的循环稳定，由此证明了铝离子电池在实际应用中的可行性。然而，当前铝离子电池制造工艺不够成熟，对于材料的选择也并未达到市场可接受范围。因此，优化铝离子电池的正极、负极材料以及电解质组成，对于降低电池成本提高生产效率，并实现铝离子电池的商业化应用具有十分重要意义。
【发明内容】
[0003]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。实现了非水溶液铝离子二次电池的高比容量、高库伦效率以及长寿环保、安全可靠、循环性能稳定，可快速充电等特点。
[0004]为实现上述目的，本发明提供以下技术方案:
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有相似之处。
[0005]一种非水溶液铝离子二次电池，其特征在于包含电池正极、负极、隔膜、含铝非水溶液电解质以及电解池装置。其中电池正极由正极活性物质与导电剂、粘结剂，混合或单独与正极集流体结合作为电池正极；负极为含铝金属或合金；含铝非水溶液电解质由卤化铝和离子液体按一定比例构成。
[0006]所述正极活性物质为质量分数大于90%的碳、石墨、碳纳米管、石墨烯、超级碳以及WS2、MoS2、V2O5,1102等具备纳米层状、管状、线状等结构的材料。
[0007]所述导电剂为碳纳米管、超级碳、无定形碳、银浆等；所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或银浆等。
[0008]所述电池正极由正极活性物质根据自身导电性、粘结性选择导电剂、粘结剂混合或单独与正极集流体采用涂布、粘结、辗压等方式结合而成。
[0009]所述正极集流体由包括但不仅限于钼、钛、钽、铅、玻璃碳、泡沫镍或金及铂族金属等制成。
[0010]所述负极含铝金属或合金为纯度大于90%的金属铝或金属铝与铜、铁、镍、铅、铋、锡、银等形成的合金。
[0011]所述隔膜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的材料，具体包括但不仅限于聚烯烃微孔膜隔膜材料、玻璃纤维材料或陶瓷材料。
[0012]所述含铝非水溶液电解质中的卤化铝为氟化铝、氯化铝、溴化铝以及碘化铝中的一种。
[0013]所述含铝非水溶液电解质中离子液体的阳离子包括但不仅限于咪唑嗡离子、吡啶嗡离子、吡咯嗡离子、哌啶嗡离子、吗啉嗡离子、季铵盐离子、季磷盐离子和叔硫盐离子；阴离子包括但不仅限于 F-, Cl-, Br-, 1-, PF6-, CN-, SCN-, [N(CF3SO2)]-, [N(CN)2]-等离子。
[0014]所述含铝非水溶液电解质中卤化铝和离子液体的比例为0.4:1-2.4:1。
[0015]所述电解池装置为带聚四氟乙烯盖的玻璃瓶、铝塑膜制成的软袋以及聚四氟乙烯或其它耐本发明所用电解质腐蚀的材料制成的电解池装置。
[0016]所述非水溶液铝离子二次电池，包括以下制备步骤:
1)将质量分数大于90%的碳、石墨、碳纳米管、石墨烯、超级碳以及WS2、MoS2、V205、Ti02等正极活性物质根据自身导电性、粘结性选择导电剂、粘结剂混合或独自涂布、粘结或者辗压在正极集流体上制成正极，同时用隔膜隔开电池正、负极；
2)将厚度为0.l-2mm的金属铝或铝合金清洗后作为负极；
3)配制含铝非水溶液电解质；
4)准备好正极、负极以及含铝非水溶液电解质后，在无氧无水环境中组装电池；
5)电池组装好后，添加含铝非水溶液电解质，将正极、负极以及隔膜全部浸入含铝非水溶液电解质中。
[0017]上述铝离子电池制备方法步骤(I)中，所述碳、石墨、碳纳米管、石墨烯、超级碳不需要与导电剂混合，而WS2、MoS2, V2O5, T12等导电性较差的正极活性材料需与质量分数为1%-20%的导电剂混合。
[0018]上述铝离子电池制备方法步骤(I)中，所述碳、石墨、碳纳米管、石墨烯、超级碳以及WS2、MoS2、V2O5, T12等正极活性物质均可选择与质量分数在0%-20%的粘结剂混合。
[0019]上述铝离子电池制备方法步骤(2 )中，首先将金属铝或铝合金裁剪成片状，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°C烘箱里进行干燥。
[0020]上述铝离子电池制备方法步骤(3)中，所述，含铝非水溶液电解质必须在无氧无水环境中配制，并静置12小时以上才能使用。
[0021]本发明使用碳、石墨、碳纳米管、WS2& MoS2等具备纳米层状结构的材料作为正极，铜铝合金作为负极，构成了一种非水溶液铝离子二次电池。由于本发明对正、负极材料、隔膜及其电解液等通过实验研宄进行了精细的选择，并结合严密的制备方法，所以本发明具有以下特点:属于一种新型多价离子，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；铝合金阴极的使用可有效减少长时间充放电过程中阴极树枝状晶的产生，从而避免电池短路，降低安全隐患；碳、石墨、碳纳米管、石墨烯、超级碳以及152、11052、￥205、1102等具备纳米层状、管状、线状等结构的材料的化学稳定性和热稳定性好、比表面积大、表面活性高，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；铝离子电解液，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