CN105591078A - 一种混合离子液体Al/C-S二次电池与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属新能源车动力电池、储能电池技术领域，具体涉及一种混合离子液体Al/C-S二次电池与制备方法。电池的结构是在三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体中放置的正极与负极之间设有玻璃纤维膜材料隔膜，正极的正极集流体上附有多孔纳米碳材料及填充于孔间的纳米硫单质构成的正极活性物质。本发明所提出的混合离子液体Al/C-S二次电池可实现高比能，大功率、长循环寿命、安全可靠、适应广、低成本、可快充等。
Description
技术领域
本发明涉及储能电池技术领域，用于新能源车动力电池，具体是一种混合离子液体Al/C-S二次电池与制备方法。
背景技术
当前，先进能源存储装置面临广泛的需要以及更高的性能要求。传统的常规电池目前存在的技术上限制和安全隐患，使其不能满足人们的需求并限制了其进一步发展。2015年Nature杂志报道的超快充铝离子电池快充（可1分钟充放电）、长寿命（7500次）、大功率特性和安全性吸引了世界上众多的研究者的目光，它的众多优异性能非常值得对其进行持续的实用性开发，目前其不足之处则是其纯碳正极的比容量还不够大，导致电池的比能量还不够高（130Wh/kg左右），不能满足当前动力电池的使用要求。若按现有技术来进一步提高电池的比能量，则会出现负极活性强，易发热，价格较高的问题。
发明内容
本发明提供一种混合离子液体Al/C-S二次电池与制备方法，以便实现高比能，大功率、长循环寿命，使电池安全可靠、适应广、低成本、快速充电。
实现本发明采取的技术方案为：一种混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征是：在电池壳体内有三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体，在三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体中放置的正极与负极之间设有玻璃纤维膜材料构成的隔膜，正极的正极集流体上附有多孔纳米碳材料，多孔纳米碳材料孔间填充有正极活性物质，正极活性物质采用纳米硫单质。
所述的正极集流体为带有的孔隙的金属导电网，网孔目数在20～80之间。
所述的多孔纳米碳材料所带的孔隙小于微米级。
所述的三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体中的三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的摩尔比为1.3:1～1.5:1之间。
所述的正极集流体与正极活性物质之间采用导电剂和胶黏剂配成的银浆料过渡粘结后再碾压复合成一体。
所述玻璃纤维膜材料构成的隔膜厚度在0.1mm～0.5mm之间。
所述壳体为耐混合离子液体电解质腐蚀的塑料材料、铝塑膜封装袋。
所述电池负极为铝或铝合金片。
一种混合离子液体Al/C-S二次电池的制备方法，包括如下步骤：
①采用液相沉积法将纳米硫单质吸附于多孔纳米碳材料的孔间，形成C-S活性物质复合体，纳米碳材料上所带的孔隙具小于1微米，将该C-S活性物质复合体与正极集流体固定，固定方式为先采用银浆料过渡粘结，再进行碾压复合,置于烘箱内烘干；
②将厚度为0.05～1mm厚度的铝或铝合金片经无水乙醇清洗、超声震荡后作为负极；
③按摩尔比1.3:1～1.5:1，配制三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体作为电解质；
④将备好的电池正极、负极、隔膜以及混合离子液体在无水无氧环境中组装成电池。
所述步骤①中粘结所用的银浆料重量百分比浓度为5%～15%。
所述纳米硫单质吸附于多孔纳米碳材料的孔间的液相沉积包括如下步骤：
⑴将硫化钠溶于去离子水中，制成硫化钠溶液；
⑵取升华硫粉，研磨后加入硫化钠溶液中，室温下搅拌至硫粉全部溶解，得到多硫化钠溶液；
⑶取多硫化钠溶液加入到含有分散剂的去离子水中，用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节至pH＞8，得到澄明的淡黄色反应液A；
⑷另取分散剂加入至酸溶液中得到反应液B；
⑸室温下将多孔纳米碳材料置于沉降池底部，随即反应液A以30滴/min的速度缓慢滴入沉降池中处于搅拌状态下的反应液B中，此过程中应保证反应液B的酸过量，始终保持酸性反应体系，此时淡黄色单质硫颗粒开始析出，滴加完毕后继续搅拌陈化3小时，陈化结束后放入烘箱，温度为120℃，20h后取出。
所述步骤②中，先将金属铝或铝合金裁剪成片，然后将其用水砂纸打磨平整，再进行无水乙醇浸泡清洗、超声震荡，然后在真空干燥箱中烘干。
所述步骤③中：配制三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体应在无水无氧环境中进行，并静置15小时以上。
本发明的有益技术效果是：采用Al/C-S二次电池的技术方案，能使Al/C电池比能量高达400～500Wh/kg的活性硫正极材料加入到铝/碳结构电池中来，既提高铝/碳电池的比能量，又避免了锂电池中的负极活性强、易发热，且价格是常规电池的1/24，对Al/C-S二次电池的商业应用带来了促进作用。
下面结合实施例及附图对本发明进行详细描述，实施例仅为说明本发明，但保护范围不受限于实施例。
附图说明
图1为本发明混合离子液体Al/C-S二次电池的实施例结构示意图。
图1中，1、正极集流体，2、硫单质，3、多孔纳米碳材料，4、混合离子液体，5、负极片，6、电池壳体，7、隔膜。
具体实施方式
如图1所示，一种混合离子液体Al/C-S二次电池，在电池壳体6内有三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体4，在三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体4中放置的正极与负极片5之间设有玻璃纤维膜材料构成的隔膜7，正极的正极集流体1上附有多孔纳米碳材料3，多孔纳米碳材料3孔间填充有正极活性物质，正极活性物质采用纳米硫单质2。
所述的正极集流体1为带有的孔隙的金属导电网，网孔目数在20～80之间。
所述的多孔纳米碳材料3所带的孔隙小于1微米。
所述的三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体4中的三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的摩尔比为1.3:1～1.5:1之间。
所述的正极集流体与正极活性物质之间采用导电剂和胶黏剂配成的银浆料过渡粘结后再碾压复合成一体。
所述玻璃纤维膜材料构成的隔膜厚度在0.1mm～0.5mm之间。
所述壳体为耐混合离子液体电解质腐蚀的塑料材料、铝塑膜封装袋。
所述电池负极为铝或铝合金片。
下面给出实现一种混合离子液体Al/C-S二次电池的实施例，实施例仅为说明本发明，但保护范围不受限于实施例。
实施例1
采用液相沉积法将纳米硫单质吸附沉积于多孔纳米碳材料的孔间，形成C-S活性物质复合体，再将该复合体与目数为20的钛网正极集流体固定，固定方式为先采用银浆料过渡粘结，银浆料浓度为5%，进行碾压复合,置于烘箱内在130℃持续12小时烘干,得到正极材料；将厚度为0.05mm厚度的铝裁剪成片，然后将其用水砂纸打磨平整，再用无水乙醇浸泡20分钟,超声震荡40分钟后自然干燥,得到电池负极；隔膜为超细玻璃纤维，厚度为0.1mm～0.5mm；配制电解质为三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑按摩尔比1.3:1混合而成的离子液体，混合离子液体在无水无氧环境中进行，并静置16小时；电池壳体为铝塑膜包装袋,整只电池组装在充满高纯氩气的手套箱中进行，箱内水和氧气的总含量小于0.2ppm，组装好的电池静置24小时，以使活性物质完全浸润于电解液中。
实施例2
采用液相沉积法将纳米硫单质吸附沉积于多孔纳米碳材料的孔间，形成C-S活性物质复合体，再将该复合体与目数为50的镍网集流体固定，固定方式为先采用银浆料过渡粘结，银浆料浓度为10%，进行碾压复合,置于烘箱内在130℃持续12小时烘干,得到本发明正极材料；将厚度为0.2mm厚度的铝裁剪成片，然后将其用水砂纸打磨平整，再用无水乙醇浸泡20分钟,超声震荡40分钟后自然干燥,得到电池负极；隔膜为超细玻璃纤维，厚度为0.1mm～0.5mm；配制电解质为三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑按摩尔比1.4:1混合而成的离子液体，混合离子液体在无水无氧环境中进行，并静置17小时；电池壳体为铝塑膜包装袋,整只电池组装在充满高纯氩气的手套箱中进行，箱内水和氧气的总含量小于0.2ppm，组装好的电池静置24小时，以使活性物质完全浸润于电解液中。
实施例3
采用液相沉积法将纳米硫单质吸附沉积于多孔纳米碳材料的孔间，形成C-S活性物质复合体，再将该复合体与目数为80的钛网集流体固定，固定方式为先采用银浆料过渡粘结，银浆料浓度为15%，进行碾压复合,置于烘箱内在130℃持续12小时烘干,得到本发明正极材料；将厚度为1mm厚度的铝裁剪成片，然后将其用水砂纸打磨平整，再用无水乙醇浸泡35分钟,超声震荡40分钟后自然干燥,得到电池负极；隔膜为超细玻璃纤维，厚度为0.1mm～0.5mm；配制电解质为三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑按摩尔比1.5:1混合而成的离子液体，混合离子液体在无水无氧环境中进行，并静置16小时；电池壳体为铝塑膜包装袋,整只电池组装在充满高纯氩气的手套箱中进行，箱内水和氧气的总含量小于0.2ppm，组装好的电池静置24小时，以使活性物质完全浸润于电解液中。
Claims (9)
1.一种混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征在于：在电池壳体内有三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体，在三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体中放置的正极与负极之间设有玻璃纤维膜材料隔膜，正极的正极集流体上附有多孔纳米碳材料及填充于孔间的纳米硫单质构成的正极活性物质。
2.根据权利要求1所述的混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征在于：所述的正极集流体为带有的孔隙的金属导电网，网孔目数在20～80之间；所述的多孔纳米碳材料所带的孔隙小于微米级。
3.根据权利要求1所述的混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征在于：所述的混合离子液体中的三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的摩尔比为1.3:1～1.5:1。
4.根据权利要求1所述的混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征在于：所述的正极集流体与正极活性物质之间采用导电剂和胶黏剂配成的银浆料过渡粘结后再碾压复合成一体。
5.根据权利要求1所述的混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征在于：所述的隔膜的厚度为0.1mm～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征在于：所述电池壳体为耐混合离子液体电解质腐蚀的塑料材料、铝塑膜封装袋。
7.根据权利要求1所述的混合离子液体Al/C-S二次电池，其特征在于：所述负极为铝或铝合金片。
8.一种权利要求1所述的混合离子液体Al/C-S二次电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
①采用液相沉积法将纳米硫单质吸附于多孔纳米碳材料的孔间，形成C-S活性物质复合体，纳米碳材料上所带的孔隙具有微米及以下级别，再将该C-S活性物质复合体与正极集流体固定，固定方式为先采用银浆料过渡粘结，再进行碾压复合,置于烘箱内烘干；
②将厚度为0.05～1mm厚度的铝或铝合金片经无水乙醇清洗、超声震荡后作为负极；
③按摩尔比1.3:1～1.5:1，配制三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体作为电解质；
④将备好的电池正极、负极、隔膜以及混合离子液体在无水无氧环境中组装成电池。
9.根据权利要求8所述的混合离子液体Al/C-S二次电池的制备方法，其特征在于：所述步骤①中粘结所用的银浆料重量百分比浓度为5%～15%；纳米硫单质吸附于多孔纳米碳材料的孔间的液相沉积法步骤为，⑴将硫化钠溶于去离子水中，制成硫化钠溶液；⑵取升华硫粉，研磨后加入硫化钠溶液中，室温下搅拌至硫粉全部溶解，得到多硫化钠溶液；⑶取多硫化钠溶液加入到含有分散剂的去离子水中，用0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节至pH＞8，得到澄明的淡黄色反应液A；⑷另取分散剂加入至酸溶液中得到反应液B；⑸室温下将多孔纳米碳材料置于沉降池底部，随即反应液A以30滴/min的速度缓慢滴入沉降池中处于搅拌状态下的反应液B中，此过程中应保证反应液B的酸过量，始终保持酸性反应体系，此时淡黄色单质硫颗粒开始析出，滴加完毕后继续搅拌陈化3小时，陈化结束后放入烘箱，温度为120℃，20h后取出；
所述步骤②中：先将金属铝或铝合金裁剪成片，然后将其用水砂纸打磨平整，再进行无水乙醇浸泡清洗、超声震荡，然后在真空干燥箱中烘干；
所述步骤③中：配制三氯化铝、氯化1-乙基3-甲基咪唑的混合离子液体应在无水无氧环境中进行，并静置15小时以上。
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