CN107331889A - 一种铝离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝离子电池，其电解液为三乙胺盐酸盐和氯化铝按照配摩尔比比1:1.4～1.6组成的离子液体；正电极为石墨烯泡沫正极材料。本发明使用的三乙胺盐酸盐多为工业废料，易得、成本低，因此它是一种环保、廉价的原料。在保证铝离子电池功率密度和能量密度的同时，使用该离子液体提高了电池截止电压和比容量，同时保证效率，从而提高了电池的安全性和储能性能。

Description

一种铝离子电池
技术领域
本发明涉及高性能电池领域，尤其涉及一种铝离子电池。
背景技术
铝离子电池因其铝金属负极具有超高的比容量、低成本以及安全性的优点而成为非常有希望的下一代能量储存方式。电池中电解液在电池循环寿命和安全性上发挥着重要作用。目前以石墨烯泡沫作为正极，咪唑类离子液体作为电解液的铝离子电池中化学窗口在0.7-2.45V，比容量70mAh g-1，库伦效率在97–98％，循环寿命7000圈左右，而铝金属的三电子氧化还原理论比容量为2980mAh g-1，理想中电池的库伦效率可达到99.98％。更重要的是，由于咪唑类离子液体的价格昂贵因而限制了其工业化的发展。因此寻找一种可以提高电化学窗口和循环性能的离子液体一直是铝离子电池研究的主要方向。
种类繁多的离子液体基本上都是由含氮有机杂环正离子和无机负离子构成，阴阳离子的变化会导致离子液体物性参数极大的改变。离子液体的粘度和电导率是影响其电化学性能的主要参数。离子液体的粘度越大，离子迁移率低，从而导致电化学性能降低。因而在选用离子液体时要考虑到其粘度以及电导率的高低。
三乙胺盐酸盐是一种常见的工业废料，容易获得，成本低，合理地将工业废料利用，十分环保，具有非常好的工业化前景。目前所用的咪唑类离子液体较难获得，购买成本高，尽管具有提升电池性能的空间但鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种铝离子电池。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种铝离子电池，所述电池的电解液为三乙胺盐酸盐和氯化铝按照配摩尔比比1:1.4～1.6组成的离子液体；所述电池的正电极为石墨烯泡沫正极材料。
进一步地，三乙胺盐酸盐和氯化铝按照摩尔比1：1.5配比。
进一步地，所述三乙胺盐酸盐和氯化铝的混合在手套箱中进行，水值<0.1ppm，氧值<0.1ppm，三乙胺盐酸盐纯度>98.5wt％,氯化铝纯度>98wt％。
进一步地，所述石墨烯泡沫正极材料通过以下步骤制备得到：
(1)将氧化石墨烯溶液滴到模具上进行冷冻干燥，得到氧化石墨烯泡沫；
(2)化学还原得到石墨烯泡沫；
(3)高温热处理将石墨烯泡沫进行热还原,得到超高导电石墨烯泡沫，也即得到超高导电石墨烯泡沫正极材料。
进一步地，所述步骤(1)的冷冻干燥温度为-40至0℃，冷冻干燥真空压力为0.1-1kPa。
进一步地，所述步骤(2)的还原剂为水合肼蒸汽、体积百分含量5％-50％的碘化氢水溶液，或体积百分含量5％-50％抗坏血酸钠溶液，还原温度90℃，时间24小时。
进一步地，所述步骤(3)高温热处理为1000-3000℃氮气或氩气氛围下，时间为10-1000分钟。
进一步地，电池包装选自扣式电池壳，软包电池壳或不锈钢电池壳；电池负极为铝金属或铝合金；隔膜选自玻碳纤维、聚丙烯隔膜或聚乙烯隔膜。
本发明的有益效果在于：本发明通过将三乙胺盐酸盐与氯化铝混合得到的离子液体与石墨烯泡沫电极材料配合，使得离子电池表现出两万五千圈的循环寿命，2.54V的截止电压，108±3mAh g-1的比容量，且库伦效率高于99％，相比于现有技术水平具有重大突破，且离子液体热稳定性高，可大量生产，成本低廉，在未来电动汽车及能量存储方面有极高的实践应用价值。
附图说明
图1是实施例1-3制备的四种配比的离子液体使用在铝离子电池中，在50C恒流充放电条件下的200-1000圈循环性能曲线对比图；
图2是实施例2的离子液体的TGA图；
图3是实施例2的离子液体在铝离子电池中，在50C恒流充放电条件下的循环性能曲线；
图4是实施例2的离子液体在铝离子电池中，在50C恒流充放电条件下的倍率性能曲线；
图5是实施例2的离子液体在铝离子电池中，在1mV s-1的扫描速度下的伏安线扫图；
图6是实施例2的离子液体在铝离子电池中，在50C恒流充放电条件下调节截止电压的循环性能曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，本实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出一些非本质的改变和调整，均属于本发明的保护范围。
实施例1：
(1)将三乙胺盐酸盐和氯化铝按照配摩尔比1:1.5混合，搅拌12小时，得到离子液体，作为铝离子电池的电解液；热失重分析结果如图2所示，温度高于220℃分解明显，热稳定性较高。
(2)将4mg ml-1氧化石墨烯溶液滴到模具上在-10℃及0.1kpa的气压下进行冷冻干燥，得到氧化石墨烯气泡沫；
(3)在水合肼蒸汽下90℃化学还原24小时得到石墨烯泡沫；
(4)在氩气氛围下使用石墨化炉在3000℃下加热，将石墨烯气泡沫进行还原得到无缺陷的超高导电石墨烯泡沫；
(5)称取石墨烯泡沫的重量0.8mg，真空130℃烘干24小时，作为铝离子电池的正极；
(6)以步骤1配制的不同配比的离子液体为电解液，以铝箔为负极，封装得到铝离子电池。
将铝离子电池在50C恒电流冲放电的条件下200-1000圈的数据进行对比，如图1所示，可以看出，配比在1.5时库伦效率稳定在高于99％，且比容量高达108mAh g-1。图3是铝离子电池在50C恒流充放电条件下的循环性能曲线，循环寿命高达两万五千圈，比容量在108±3mAh g-1，且库伦效率高于99％。图4是铝离子电池的倍率性能图，可以看出在不同电流密度下比容量变化不大。将离子液体组装的铝电池做伏安线扫图(图5)，在1mV s-1的扫描速度下，不同的截止电压看出其氧化峰与还原峰的对应，并确定其截止电压上限值为2.54V,电化学窗口宽。通过图6改变不同的截止电压做循环性能曲线，可以看出在2.54V时库伦效率稳定在大于99％的情况下比容量值最高。
实施例2：
按照表1所示的摩尔配比将三乙胺盐酸盐溶于氯化铝中，搅拌12小时，得到离子液体，作为铝离子电池的电解液；由实验结果显示配比大于等于1.4时离子液体呈现淡黄色透明液体，可作为电解液使用；当小于1.4时离子液体呈现凝胶状，粘度过大，因而不可作为电解液使用。
然后以不同配比的离子液体为电解液，以石墨烯泡沫为正极，以铝箔为负极，分别封装得到铝离子电池。
表1
注：比容量在电流密度为5A g-1下测得。
由表1可知，在1.4～1.6配比的时候比容量较高、循环寿命较长、库伦效率稳定且可高于99％；在配比为1.5时，比容量最高(108±3mAh g-1)，寿命最长(大于25000圈)。

Claims (8)

1.一种铝离子电池，其特征在于，所述电池的电解液为三乙胺盐酸盐和氯化铝按照配摩尔比比1:1.4～1.6组成的离子液体；所述电池的正电极为石墨烯泡沫正极材料。
2.如权利要求1所述的铝离子电池，三乙胺盐酸盐和氯化铝按照摩尔比1：1.5配比。
3.如权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于：所述三乙胺盐酸盐和氯化铝的混合在手套箱中进行，水值<0.1ppm，氧值<0.1ppm，三乙胺盐酸盐纯度>98.5wt％,氯化铝纯度>98wt％。
4.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，所述石墨烯泡沫正极材料通过以下步骤制备得到：
(1)将氧化石墨烯溶液滴到模具上进行冷冻干燥，得到氧化石墨烯泡沫；
(2)化学还原得到石墨烯泡沫；
(3)高温热处理将石墨烯泡沫进行热还原,得到超高导电石墨烯泡沫，也即得到超高导电石墨烯泡沫正极材料。
5.如权利要求4所述的铝离子电池，其特征在于：所述步骤(1)的冷冻干燥温度为-40至0℃，冷冻干燥真空压力为0.1-1kPa。
6.如权利要求4所述的铝离子电池，其特征在于：所述步骤(2)的还原剂为水合肼蒸汽、体积百分含量5％-50％的碘化氢水溶液，或体积百分含量5％-50％抗坏血酸钠溶液，还原温度90℃，时间24小时。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)高温热处理为1000-3000℃氮气或氩气氛围下，时间为10-1000分钟。
8.如权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，电池包装选自扣式电池壳，软包电池壳或不锈钢电池壳；电池负极为铝金属或铝合金；隔膜选自玻碳纤维、聚丙烯隔膜或聚乙烯隔膜。
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