CN104078704A - 一种二次铝电池及其非水电解质 - Google Patents

一种二次铝电池及其非水电解质 Download PDF

Info

Publication number
CN104078704A
CN104078704A CN201410312663.7A CN201410312663A CN104078704A CN 104078704 A CN104078704 A CN 104078704A CN 201410312663 A CN201410312663 A CN 201410312663A CN 104078704 A CN104078704 A CN 104078704A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aluminium
electrolyte
cell
chloride
salt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410312663.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104078704B (zh
Inventor
赵宇光
骆建洲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NANJING ZHONGCHU NEW ENERGY Co Ltd
Original Assignee
NANJING ZHONGCHU NEW ENERGY Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NANJING ZHONGCHU NEW ENERGY Co Ltd filed Critical NANJING ZHONGCHU NEW ENERGY Co Ltd
Priority to CN201410312663.7A priority Critical patent/CN104078704B/zh
Publication of CN104078704A publication Critical patent/CN104078704A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104078704B publication Critical patent/CN104078704B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566—Liquid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025—Organic electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本发明公开了一种二次铝电池，包括正极、负极、电解质。该正极活性材料选用单质硫或有机硫化合物；该负极活性材料选用金属铝或铝合金；该电解质使用由无水铝盐、有机溶剂、添加剂组成的非水含铝电解质。

Description

一种二次铝电池及其非水电解质
技术领域
本发明属电化学与新能源领域，涉及一种二次铝电池，尤其是涉及一种使用非水含铝电解质的二次铝电池。。
背景技术
随着全球经济的快速发展，便携式电子设备、电动汽车和太空利用等方面技术的突飞猛进，人类对高能安全的绿色化学电源的需求越来越迫切。锂电池发展至今，已经成为便携式电子设备最具实用性的化学电源，并已扩展至动力电池和储能电池领域。但由于锂元素自身的化学活泼性、能量密度等方面限制，给锂电池的大型化发展带来了难以解决的安全性问题和电池容量问题，因此研究开放其他新型安全的高能电池成为国际社会普遍面对的难题。
与传统电极材料相比，元素铝与硫均具有理论能量密度大、资源丰富、价格低廉、对环境友好、使用安全等优点。金属铝理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于金属锂（3682mAh/g），体积比容量为8050mAh/cm3，约为锂（2040mAh/cm3）的4倍，且化学活泼性相对稳定，是理想的负极材料；元素硫也具有较大的理论能量密度（1670mAh/g），是已知能量密度最大的正极材料。因此，铝硫电池从各方面来说都是一种价格低廉、能量密度高、使用安全的理想电池。
铝是一种活泼性很强的金属，其还原电位比氢负，所以在铝盐水溶液中是不可能电沉积出铝，即所有使用铝盐水溶液为电解质的铝电池无法充电还原，只能是一次电池。
因此，想要实现铝电池的可充电，首先需要解决的就是电解质中的铝的电沉积-溶出问题。电解质的选择很大程度上决定着二次铝电池的工作机制，影响电池的比能量、循环性能、倍率充放电性能、安全性、储存性能和造价等。选择合适的电解质是实现二次电池高性能、长寿命、安全性和低造价的重要前提。。
发明内容
（一）发明目的
本发明的目的在于提供一种容量大、可充电的二次铝电池。
本发明的目的还在于提供一种或几种非水含铝电解质，以实现铝的电化学沉积-溶出。
本发明中的术语“二铝次电池”包括例如“铝二次电池”、“二次铝硫电池”、“可充电铝电池”、“铝蓄电池”、“铝储能电池”以及类似的概念。
（二）技术方案
为了实现上述目的，本发明提供了一种二次铝电池方案，包括：
(a) 包含电化学活性含硫物质的正极； 
(b) 含铝活性材料的负极；
(c) 电解质体系，其中所述电解质体系为无水铝盐、有机溶剂、添加剂组成的非水含铝电解质。
下面是本发明电化学电池优选的电解质、正极、负极的描述。
电解质
方案中所述的非水含铝电解质由铝盐、有机溶剂、添加剂组成。
方案中所述非水含铝电解质中的一种，其特征为：所述电解质体系包括，铝盐为氯化铝，有机溶剂为乙醚、四氢呋喃、苯中的一种或几种混合，添加剂包括氢化锂铝、 氢化锂等。
方案中所述非水含铝电解质中的一种，其特征为：所述电解质体系包括，铝盐为溴化铝或三乙基铝，有机溶剂为甲苯或甲苯/苯混合溶剂，添加剂包括碱金属卤化物、碱土金属卤化物、季铵盐、溴化氢等。
方案中所述非水含铝电解质中的一种，其特征为：所述电解质体系包括，铝盐为氯化铝，有机溶剂为二甲基亚砜，添加剂为氯化锂。
方案中所述非水含铝电解质中铝盐的含量为0.1mol/L～5mol/L。
正极
本发明的电池的正极包括含有电化学活性含硫物质的正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。
方案所述的电化学活性含硫物质，为单质硫或有机硫化合物。单质硫包括升华硫和高纯硫；有机硫化合物包括但不限于硫化聚乙炔、多硫化碳炔、多硫代聚苯乙烯、硫化聚氯乙烯、多硫代苯、硫化聚丙烯腈、多硫代萘、多硫代苯胺、多硫代吡啶、多硫代噻吩、多硫代吡咯、多硫代呋喃等。
方案所述的导电剂包括但不限于石墨基材料、碳基材料和导电聚合物。石墨基材料包括导电石墨KS6，碳基材料包括Super P、Ketjen黑、乙炔黑或炭黑。导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔，或它们的混合物。
方案所述的粘合剂包括但不限于为聚乙烯醇 (PVA)、聚四氟乙烯（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚苯乙烯丁二烯共聚物（SBR）、氟化橡胶和聚氨酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸乙酯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚己内酰胺、聚丁二烯、聚异戊二烯、聚丙烯酸，及其衍生物、混合物或共聚物。
集流体包括但不限于不锈钢、铜、镍、钛、铝。更优选的是碳涂布的铝集流体，更容易覆盖包括正极活性物质的涂层，具有较低的接触电阻，并且可抑制硫化物的腐蚀。
负极
方案所述的含铝活性材料的负极，为金属铝或铝合金。金属铝，包括但不限于铝片、铝丝、铝箔和沉积在基材上的铝；铝合金，包括含有选自Li、Na、K、Ca、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Sn、Pb、Ma、Ga、In、Cr、Ge中的至少一种元素与Al的合金。
方案所述的二次铝电池的制备方法如下：
将正极活性材料、导电剂、粘结剂按比例制成活性材料浆涂于泡沫镍基体上，烘干碾压制成正极极片，和隔膜以及使用负极活性材料制成的负极卷绕成电芯装入镀镍钢壳，再注入非水含铝电解质，封口制成二次铝电池。
（三）有益效果
（1）本发明提供的二次铝电池，其电极材料铝、硫的理论能量密度大、资源丰富、对环境友好、性质稳定，是一种容量大、可充电、价格经济、环保安全的理想电池。
（2）在本发明提供的非水含铝电解质中，铝负极与硫正极与电解质之间的界面的电化学反应可逆，负极反应表现为铝的沉积-溶出循环，正极反应为S-S键的断开和键合，从而实现了铝硫电池的可充放电。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。下面的实施例描述了本发明的几种实施方式，它们仅是说明性的，而非限制性的。
实施例一
以“氯化铝-氢化锂铝-四氢呋喃-苯”电解质为例，其中氯化铝和氢化锂铝的摩尔比为3:1，氯化铝浓度约为0.9mol/L，苯的体积分数约为40%。
制备氯化铝-氢化锂铝-四氢呋喃-苯电解质：
①制备氢化锂铝-四氢呋喃溶液
惰性气体保护下，将0.03mol氢化锂铝溶于45ml四氢呋喃中，搅拌12小时，制得氢化锂铝-四氢呋喃溶液，溶液为乳白色浊液。
②制备氯化铝-四氢呋喃-苯溶液
惰性气体保护下，将0.09mol无水氯化铝加入到40ml苯中，搅拌情况下缓慢滴加入15ml四氢呋喃，随着四氢呋喃的加入，不溶的氯化铝逐渐溶解，搅拌6小时，制得氯化铝-四氢呋喃-苯溶液，溶液呈浅茶色。
③制备氯化铝-氢化锂铝-四氢呋喃-苯电解质
惰性气体保护下，将上述氢化锂铝-四氢呋喃溶液缓慢滴加到氯化铝-四氢呋喃-苯溶液中，搅拌12小时，即制得氯化铝-氢化锂铝-四氢呋喃-苯电解质。
实施例二
以“三乙基铝-氟化钠-甲苯”电解质为例。
制备三乙基铝-氟化钠-甲苯电解质：
①制备三乙基铝-氟化钠溶液
惰性气体保护下，将0.05mol干燥的氟化钠溶于0.1mol三乙基铝，加热搅拌2小时，制得三乙基铝-氟化钠溶液。
②制备三乙基铝-氟化钠-甲苯电解质
惰性气体保护下，将上述三乙基铝-氟化钠溶液缓慢加入0.1675mol甲苯中，搅拌2小时，制得三乙基铝-氟化钠-甲苯电解质。
实施例三
以“氯化铝-二甲基亚砜-氯化锂”电解质为例。
制备氯化铝-二甲基亚砜-氯化锂电解质：
①制备氯化铝-二甲基亚砜溶液
惰性气体保护下，将0.05mol氯化铝溶于100ml二甲基亚砜中，搅拌4小时，制得氯化铝-二甲基亚砜溶液。
②制备氯化铝-二甲基亚砜-氯化锂电解质
惰性气体保护下，向上述氯化铝-二甲基亚砜溶液一边搅拌一边缓慢加入0.01mol氯化锂，50℃恒温搅拌12h，冷却制得氯化铝-二甲基亚砜-氯化锂电解质。
以介孔碳-硫复合材料（硫质量分数60%）为正极材料，加入导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF（比例为7:2:1），制成活性材料浆涂于0.6mm厚的泡沫镍基体上，烘干碾压至0.33毫米裁成40mm宽×15mm长的极片，和0.16mm厚的玻璃纤维非织隔膜以及用铝片作为负极活性材料制成的负极卷绕成电蕊装入镀镍钢壳，再注入实施例一、二、三所制电解质，封口制成AA型二次铝电池。
对电池进行充放电实验，以1C充电至2.2V，0.5C放电，放电截至电压1.2V。
（1）实施例一电解质所制电池，开路电压1.76V，首次放电容量594mAh，循环50次后，放电容量296mAh。
（2）实施例二电解质所制电池，开路电压1.77V，首次放电容量600mAh，循环50次后，放电容量303mAh。
（3）实施例三电解质所制电池，开路电压1.76V，首次放电容量573mAh，循环50次后，放电容量288mAh。
尽管已经参照实施方案对本发明进行了详细的描述，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书及其等价物所述的本发明的构思和范围的情况下，可以对其作出各种修改和替换。

Claims (7)

1.一种二次铝电池，包括：
(a) 包含电化学活性含硫物质的正极； 
(b) 含铝活性材料的负极；
(c) 电解质体系，其中所述电解质体系为无水铝盐、有机溶剂、添加剂组成的非水含铝电解质。
2.如权利要求1所述的二次铝电池，其特征在于：所述电解质体系包括，铝盐为氯化铝，有机溶剂为乙醚、四氢呋喃、苯中的一种或几种混合，添加剂包括氢化锂铝、 氢化锂等。
3.如权利要求1所述的二次铝电池，其特征在于：所述电解质体系包括，铝盐为溴化铝或三乙基铝，有机溶剂为甲苯或甲苯/苯混合溶剂，添加剂包括碱金属卤化物、碱土金属卤化物、季铵盐、溴化氢等。
4.如权利要求1所述的二次铝电池，其特征在于：所述电解质体系包括，铝盐为氯化铝，有机溶剂为二甲基亚砜，添加剂为氯化锂。
5.如权利要求1所述的二次铝电池，其特征在于：所述电解质体系中铝盐的含量为0.1mol/L～5mol/L。
6.如权利要求1所述的二次铝电池，其特征在于：所述电化学活性含硫物质为单质硫或有机硫化合物。
7.如权利要求1所述的二次铝电池，其特征在于：所述含铝活性材料的负极为金属铝或铝合金。
CN201410312663.7A 2014-07-03 2014-07-03 一种二次铝电池及其非水电解质 Expired - Fee Related CN104078704B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410312663.7A CN104078704B (zh) 2014-07-03 2014-07-03 一种二次铝电池及其非水电解质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410312663.7A CN104078704B (zh) 2014-07-03 2014-07-03 一种二次铝电池及其非水电解质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104078704A true CN104078704A (zh) 2014-10-01
CN104078704B CN104078704B (zh) 2016-03-23

Family

ID=51599836

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410312663.7A Expired - Fee Related CN104078704B (zh) 2014-07-03 2014-07-03 一种二次铝电池及其非水电解质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104078704B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104393264A (zh) * 2014-12-01 2015-03-04 杨成 高容量电池及其制备方法
WO2017084538A1 (zh) * 2015-11-18 2017-05-26 中国科学院深圳先进技术研究院 一种二次电池及其制备方法
CN107492659A (zh) * 2017-08-18 2017-12-19 北京理工大学 铝硫电池及其制备方法和应用
WO2018090097A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 Newsouth Innovations Pty Limited Electrochemical cell
CN114006129A (zh) * 2015-10-08 2022-02-01 艾沃伦24公司 可充电式铝离子电池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008108689A (ja) * 2006-09-29 2008-05-08 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質二次電池
US7524587B2 (en) * 2005-11-10 2009-04-28 Panasonic Corporation Non-aqueous electrolyte and secondary battery containing same
CN101764253A (zh) * 2009-11-20 2010-06-30 无锡欧力达新能源电力科技有限公司 二次铝电池及其制备方法
CN101794907A (zh) * 2009-11-20 2010-08-04 无锡欧力达新能源电力科技有限公司 一种铝聚合物二次电池及其制备方法
US20120107695A1 (en) * 2010-11-02 2012-05-03 Electronics And Telecommunications Research Institute Lithium rechargeable battery

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7524587B2 (en) * 2005-11-10 2009-04-28 Panasonic Corporation Non-aqueous electrolyte and secondary battery containing same
JP2008108689A (ja) * 2006-09-29 2008-05-08 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質二次電池
CN101764253A (zh) * 2009-11-20 2010-06-30 无锡欧力达新能源电力科技有限公司 二次铝电池及其制备方法
CN101794907A (zh) * 2009-11-20 2010-08-04 无锡欧力达新能源电力科技有限公司 一种铝聚合物二次电池及其制备方法
US20120107695A1 (en) * 2010-11-02 2012-05-03 Electronics And Telecommunications Research Institute Lithium rechargeable battery

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104393264A (zh) * 2014-12-01 2015-03-04 杨成 高容量电池及其制备方法
CN114006129A (zh) * 2015-10-08 2022-02-01 艾沃伦24公司 可充电式铝离子电池
WO2017084538A1 (zh) * 2015-11-18 2017-05-26 中国科学院深圳先进技术研究院 一种二次电池及其制备方法
US10790537B2 (en) 2015-11-18 2020-09-29 Shenzhen Institutes Of Advanced Technology Chinese Academy Of Sciences Secondary battery and preparation method therefor
WO2018090097A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 Newsouth Innovations Pty Limited Electrochemical cell
CN107492659A (zh) * 2017-08-18 2017-12-19 北京理工大学 铝硫电池及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN104078704B (zh) 2016-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Challenges and future perspectives on sodium and potassium ion batteries for grid-scale energy storage
Zhao-Karger et al. Beyond intercalation chemistry for rechargeable Mg batteries: a short review and perspective
CN104078705B (zh) 一种二次铝电池及其电解质
CN106340651B (zh) 一种二次电池及其制备方法
Yang et al. Approaching energy-dense and cost-effective lithium–sulfur batteries: From materials chemistry and price considerations
Hasa et al. Characteristics of an ionic liquid electrolyte for sodium-ion batteries
Yan et al. High-safety lithium-sulfur battery with prelithiated Si/C anode and ionic liquid electrolyte
Medenbach et al. Cell Concepts of Metal-Sulfur Batteries (Metal 5 Li, Na, K, Mg): Strategies for Using Sulfur in Energy Storage Applications
Wang et al. Recent progress in “water-in-salt” electrolytes toward non-lithium based rechargeable batteries
Chen et al. Charge–discharge behavior of a Na2FeP2O7 positive electrode in an ionic liquid electrolyte between 253 and 363 K
Karabelli et al. Sodium-based batteries: in search of the best compromise between sustainability and maximization of electric performance
CN107394260B (zh) 金属离子电池
CN102280656A (zh) 一种导电聚合物包覆正极的锂离子电池的制备方法
CN104078704B (zh) 一种二次铝电池及其非水电解质
Li et al. A polyanionic organic cathode for highly efficient K-ion full batteries
CN106960954A (zh) 一种普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料的制备方法及应用
CN105047861A (zh) 一种硫碳复合材料及其制备方法
Huang et al. Electrode/electrolyte additives for practical sodium-ion batteries: a mini review
JP2015065028A (ja) 非水マグネシウム二次電池
Minakshi et al. Electrochemical energy storage device for securing future renewable energy
Sun et al. Practical assessment of the energy density of potassium-ion batteries
Li et al. Hydrogen isotope effects: a new path to high-energy aqueous rechargeable Li/Na-ion batteries
Liu et al. Molten salt electrolyte based on alkali bis (fluorosulfonyl) imides for lithium batteries
Paravannoor et al. Interfacial properties of alloy anodes in combination with room temperature ionic liquid electrolytes: A review based on Li secondary batteries
CN104078678A (zh) 一种硫碳导电聚合物正极及使用这种正极的二次铝电池

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160323

Termination date: 20180703

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee