CN104241596A - 一种可充电铝离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种可充电铝离子电池及其制备方法，属于能源再利用领域。电池包含正极、负极、液态铝离子电解液、隔膜材料，其中正极为石墨结构碳材料，负极为高纯铝，液态铝离子电解液由无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物混合而成，其中无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物的摩尔比为1.1:1至1.6:1。电池的制备过程是：先将正极材料石墨结构碳材料加工成片状，再以惰性金属箔片为集流体将上述正极材料固定，以隔膜包裹作为正极；将高纯铝剪片清洗后作为负极；配制含有可自由移动的Al3+离子的液态铝离子电解液。以上述正极、负极以及液态铝离子电解液，在手套箱中组装电池。该电池具高容量、循环稳定性好等特点，可应用于电子工业、通讯产业、电动汽车等众多领域。

Description

一种可充电铝离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可充电铝离子电池及其制备方法，属于能源再利用领域。
背景技术
近年来，随着传统能源的逐渐枯竭，绿色可再生能源备受青睐。其中各种二次电池的研究更是如火如荼。
上世纪八十年代提出的锂离子电池因其具有自放电小、比容量高、循环性能好和环境友好等优点，发展十分迅速，现已技术成熟。然而地球上锂资源有限，昂贵的成本及安全隐患限制了锂离子电池的大规模应用。人们亟需设计新型电池体系取代锂离子电池。
铝元素是地壳中含量最丰富的金属元素，铝成本远远低于锂，基于铝离子嵌入和脱嵌的可充电铝离子电池有望用于大规模储能设备。另外，每一个铝离子携带的电荷是锂离子的三倍，因而，铝离子电池的容量有望得到很大提升。碳材料以其层状结构及优良的导电性可以使铝离子嵌入和脱嵌，且价格低廉、方便加工，成为铝离子电池的合适电极材料。因此，开发比容量较高、价格低廉的铝-碳可充电电池具有十分重要的理论意义和商业意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种可取代锂离子电池的新型二次电池，即可充电铝离子电池体系及其制备方法，实现了可充电铝离子电池的高容量充放电，并且循环寿命长。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种可充电铝离子电池，其特征在于包含正极、负极、液态铝离子电解液、隔膜材料，其中正极为石墨结构碳材料，负极为高纯铝，液态铝离子电解液由无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物混合而成，其中无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物的摩尔比为1.1:1至1.6:1。
所述石墨结构碳材料为石墨、碳纸、碳纤维纸及炭黑等。
所述隔膜材料为具有离子通透性且不与正极和负极反应的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料以及玻璃纤维材料中的一种。
所述的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。
所述可充电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)将正极材料石墨结构碳材料加工成片状；
2)以惰性金属箔片为集流体将上述正极材料固定，以隔膜包裹作为正极，惰性金属箔片为钼、泡沫镍或金及铂族金属等贵金属；
3)将高纯铝剪片清洗后作为负极；
4)配制含有可自由移动的Al3+离子的离子液体作为电池的液态铝离子电解液；
5)用上述正极、负极以及液态铝离子电解液，在手套箱中组装电池。
可充电铝离子电池所用壳体结构为玻璃电解池、塑料电解池或塑料电池壳。
上述步骤2)，固定方式为剪切惰性金属片(钼片、泡沫镍、贵金属等)为集流体，把步骤1)中加工好的碳材料电极片固定在集流体上，作为正极。固定方式包括绑缚、粘连、压制以及槽型固定等物理固定方式。再按正极尺寸剪裁隔膜材料，包在正极片上，固定好。
上述步骤3)，负极的清洗方法为，用有机液体，无水乙醇或丙酮，浸泡并超声震荡，干燥后，作为负极。
上述步骤4)，液态铝离子电解液应在手套箱中配制，配制后要静置12小时以上。
本发明使用石墨结构碳材料(石墨、碳纸、碳纤维纸、膨胀石墨以及炭黑等)作为正极，以高纯铝作为负极，构成了一种新型非水系可充电铝离子电池。由于本发明对此种电池正负极、隔膜、电解液等进行了细致的研究、精密的制备、准确的测试，本发明达到了下述特点：提出了一种新型高价离子电池体系，即可充电铝离子电池体系，使可移动电源的种类进一步扩展；由于铝元素储量丰富，价格低廉，大大降低了离子电池的成本；碳材料由于其独特的层状结构、优良的导电性以及低廉的价格，有利于在可充电铝离子电池中的应用；隔膜具有良好的电绝缘性，电阻低，对电解质离子具有很好的通透性，具有较好的化学稳定性和电化学稳定性，对电解质润湿性好；有一定的机械强度，可选用的品种多；采用离子液体作为可充电铝离子电池的电解质，铝离子电导率高，热稳定性好，电化学窗口较宽，化学稳定性高，与电池体系中的正负极材料、隔膜等基本不发生反应，在较宽的温度范围内保持液态。本发明的可应用于众多领域，如电子工业、通讯产业、电动汽车等。
附图说明
图1为实施例1制备的可充电铝离子电池充放电性能测试曲线；
图2为实施例2制备的可充电铝离子电池的循环性能测试曲线。
具体实施方式
本发明的可充电铝离子电池结构有圆柱状、方形状、扣式状等多种形状，它们主要包括电池壳体、正极、负极、隔膜以及注入的电解质等。电池壳体可为玻璃制、塑料制及钼制壳体。正极为以钼片固定的石墨结构碳材料(石墨、碳纸、碳纤维纸及炭黑等)，负极为高纯铝。隔膜材料为具有离子通透性且不与正极与负极反应的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料以及玻璃纤维材料中的一种。电解质由无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物(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等)混合而成。
实施例1：
以碳纸作为正极材料。把碳纸在手动压轧机上压平压均匀，剪裁成直径为16mm的圆片，以无水乙醇擦洗干净，在60℃烘箱中烘干2小时。取0.5mm厚的钼箔，剪裁出两片4mm×7mm尺寸的钼片。对其两片钼片打直径1mm的孔。把碳纸置于钼片中间，按钼片上孔洞位置打直径1mm厚的孔。以集流体金属丝把碳纸和钼片绑在一起组成正极。以玻璃纤维滤纸(GF/D,Whatman)包裹碳纸和钼片组成的正极。把高纯铝片在无水乙醇中浸泡3小时，并超声震荡，干燥后，作为负极。将无水氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按摩尔比1.3:1在充氩手套箱中混合配制离子液体。之后把正极、负极装到可密封的玻璃电解池中，加入离子液体后密封，即制成了可充电铝离子电池产品。电池装好12小时后，在0.4-2.4V范围内进行充放电测试。图1显示了其比容量。
实施例2：
以炭黑作为正极材料。在炭黑中加入少许无水乙醇沾湿，放入20mm直径模具，以15MPa压力压块，在60℃烘箱烘1小时后在真空条件下加热到800℃真空烧结2小时自然冷却。再取0.5mm厚的钼箔，剪裁出两片4mm×7mm尺寸的钼片。对其两片钼片打直径1mm的孔。把炭黑电极片置于钼片中间，按钼片上孔洞位置打直径1mm厚的孔。以集流体金属丝把碳纸和钼片绑在一起组成正极。以玻璃纤维滤纸(GF/D,Whatman)包裹碳纸和钼片组成的正极。把高纯铝片在无水乙醇中浸泡3小时，并超声震荡，干燥后，作为负极。将无水氯化铝和1-丁基-3-甲基咪唑氯化物按摩尔比1.3:1在充氩手套箱中混合配制离子液体。之后把正极、负极装到可密封的玻璃电解池中，加入离子液体后密封，即制成了可充电铝离子电池产品。电池装好12小时后，在0.4-2.4V范围内进行充放电测试。图2显示了其循环稳定性。

Claims (9)

1.一种可充电铝离子电池，其特征在于包含正极、负极、液态铝离子电解液、隔膜材料，其中正极为石墨结构碳材料，负极为高纯铝，液态铝离子电解液由无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物混合而成，液态铝离子电解液中无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物的摩尔比为1.1:1至1.6:1。
2.根据权利要求1所述可充电铝离子电池，其特征在于，石墨结构碳材料为石墨、碳纸、碳纤维纸、膨胀石墨及炭黑。
3.根据权利要求1所述的可充电铝离子电池，其特征在于，所述隔膜材料为具有离子通透性且不与正极和负极反应的聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料以及玻璃纤维材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的可充电铝离子电池，其特征在于，所述的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。
5.如权利要求1所述可充电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)将正极材料石墨结构碳材料加工成片状；
2)以惰性金属箔片为集流体将上述正极材料固定，以隔膜包裹作为正极，惰性金属箔片为钼、泡沫镍或金及铂族等贵金属；
3)将高纯铝剪片清洗后作为负极；
4)配制含有可自由移动的Al3+离子的离子液体作为电池的液态铝离子电解液；
5)用上述正极、负极以及液态铝离子电解液，在手套箱中组装电池。
6.如权利要求5所述的可充电铝离子电池的制备方法，其特征在于，可充电铝离子电池所用壳体为玻璃电解池、塑料电解池或塑料电池壳。
7.如权利要求5所述的可充电铝离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤2)固定方式为剪切惰性金属片为集流体，把步骤1)中加工好的碳材料电极片固定在集流体上，作为正极；固定方式包括绑缚、粘连、压制以及槽型固定，再按正极尺寸剪裁隔膜材料，包在正极片上，固定好。
8.如权利要求5所述的可充电铝离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤3)负极的清洗方法为，用有机液体，无水乙醇或丙酮，浸泡并超声震荡，干燥。
9.如权利要求5所述的可充电铝离子电池的制备方法，其特征在于，所述步骤4)离子液体要在手套箱中配制液态铝离子电解液，配制后要静置12小时以上。
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