CN104701541A - 一种ws2做正极的铝离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明阐述了一种WS2做正极的铝离子电池及其制备方法，属于离子电池及其制备领域。本发明所述电池由正极、负极、隔膜材料和铝离子电解质组成，正极活性物质为WS2、负极为高纯铝片、电解质则为卤化铝与多种无机酸盐按比例混合而成的铝离子电解质。本发明所制备的铝离子电池具备循环性能稳定、电化学窗口较宽、库伦效率持续较高、电池使用温度范围较宽等特点，可广泛应用于多种领域，如便携式电子设备、电动汽车、通讯产业以及航空航天等。

Description

一种WS2做正极的铝离子电池及其制备方法
技术领域
本发明属于离子电池及其制备领域，涉及新型铝离子电池的制备技术，特别涉及WS2与导电剂、粘结剂混合而成的正极材料及整个电池的制备方法。
技术背景
近年来，随着石油、煤炭、天然气等非可再生能源的不断减少及其使用带来的巨大的环境压力、温室效应等，开发并利用清洁可再生能源成为了当前研究的热点。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。例如，当前存在的潮汐能发电、水力发电、风力发电、太阳能发电等均形成以电能的形式。但这些可再生能源所产生的电能普遍存在一定的不稳定性，使其无法大量地进入电网。因此，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。现在的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。目前，有关铝离子电池的报道还比较少，这主要是因为相关研究还不是很普遍，同时鲜有的报道中所提及的电池比容量等参数还不是很理想，因此未能引起商业的广泛重视。而这就使得开发比容量高，循环性能稳定的铝离子电池变得十分的迫切与重要。
发明内容
本发明针对现在普遍使用的锂离子电池存在资源紧缺、生产成本高、使用过程中存在一定安全隐患的特点，开发出一种新型的铝离子电池，并实现该电池安全可靠、大容量、长时间稳定循环。该铝离子电池电极材料廉价易得、生产过程简单有效，利于商业化推广。
为实现上述目的，本发明包含如下的技术方案：
本发明涉及一种WS2做正极的铝离子电池，其中包含正极、负极以及铝离子电解质。
所述铝离子电池的优选技术方案为，电池正极活性物质WS2为纳米级或微米级，纯度大于等于99％的粉末状原料。
所述铝离子电池的优选技术方案为，铝离子电解质为液体时，电池中应包含隔膜材料。
所述铝离子电池的优选技术方案为，所述隔膜材料应具有离子通过性的玻璃纤维材料、聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料中的一种。
所述铝离子电池的优选技术方案为，所述铝离子电解质中卤化铝与无机酸盐的摩尔比为0.5-2。无机酸盐为1-丁基-3-甲基咪唑氯化物、1-丙基-3-甲基咪唑氯化物、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中的一种或几种任意比例的混合物。
所述铝离子电池的优选技术方案为，所述铝离子电解质中所述铝离子电池的优选技术方案为，所述离子电池的正极集流体为钼片、泡沫镍、铂片、碳纸中的一种。
具体制备步骤如下：
1).作为铝离子电池正极材料的WS2要成粉末状，其颗粒直径在10nm-10μm；
2).将上述粉末状WS2与导电剂、粘结剂均匀混合后涂在集流体上，作为正极，集流体的材料有钼片、钛片及铂族金属；
3).将厚度0.1-1mm的高纯铝片清洗后作为负极；
4).将卤化铝与无机酸盐均匀混合，作为电解质；
5).以WS2作为正极、高纯铝片作为负极、混合均匀的离子液体作为电解质，在充满氩气的手套箱中组装电池；手套箱中的氧气含量及水含量均小于0.1ppm。
所述铝离子电池的优选技术方案为，步骤(2)所述导电剂为碳纳米管、乙炔黑、超级碳、石墨、碳粉、铂浆，银浆中的一种；粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)、铂浆、银浆中的一种。
所述铝离子电池的优选技术方案为，步骤(2)中WS2用量为30-90wt％、导电剂为1-40wt％、粘结剂为1-30wt％。
步骤(3)中高纯铝片首先裁剪成约10×15mm的片状，然后用砂纸打磨，除去其表面的氧化膜，再利用无水乙醇或丙酮浸泡进行超声清洗，最后在60℃烘箱里进行干燥。
步骤(4)中卤化铝与无机酸盐混合的电解质必须在氩气保护下的手套箱中进行，装配好的电池需静置至少24小时后方可使用。
本发明属一种新的常温离子电池，即常温铝离子电池，并提出了一种新的正极材料—WS2。由于对电池的电极材料、电解质、隔膜等进行了精心的挑选，并就其整个制备过程开展了精密的实施，因此本发明具备以下特点：由于电池所采用的电极材料简单易得，生产成本低廉使得整个电池成本大大降低；同时相对于传统的锂离子电池，铝离子电池更加的安全可靠，并具备开发出较高容量的潜力。本电池所采用的WS2层状结构正极材料在持续的充放电测试中表现出稳定高效的循环性能；同时WS2化学性质稳定，比表面结大，作为二次铝离子电池电极材料具备优异的储能性能、倍率性能等。因此，本发明所涉及的铝离子电池及其所使用的WS2正极材料在未来的发展中可应用于电子工业、电动汽车等多种领域。
附图说明
图1为实施例1制备的铝离子电池充放电性能测试曲线；
图2为实施例1制备的铝离子电池的循环性能测试曲线。
具体实施方案
本发明所涉及的铝离子电池主要包括电池正极、负极、电解质、隔膜、正极集流体以及电池壳体。正极为WS2与铂浆、碳纳米管、乙炔黑、超级碳、石墨、 碳粉、聚四氟乙烯及聚偏二氟乙烯等导电剂、粘结剂的一种或多种的均匀混合物。正极集流体为钼片；负极为高纯铝片；隔膜为玻璃纤维、聚丙烯微孔隔膜、聚乙烯微孔隔膜中的一种。电解质为卤化铝和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中的一种或几种任意比例的混合物。
本发明将通过下面的具体实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例1：
正极活性物质为WS2，WS2与导电铂浆的用量按1:2wt％混合。此时，导电铂浆同时兼顾导电剂和粘结剂两种功能。通过喷洒酒精并配合长时间的搅拌使两者均匀混合，最终获得胶状物质。将上述胶状物质均匀涂在正极集流体钼片上，并置于120℃烘箱中持续干燥24小时左右，得到本发明用电池正极。取0.25mm厚的高纯铝片，在无水乙醇中超声清洗数小时后干燥，得到电池负极。将AlCl3与1-丁基-3-甲基氯化咪唑盐按摩尔比1.3:1的比例混合配置成离子液体，作为本发明用电解质。整个电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，手套箱中氧气及水的含量小于0.1ppm。组装好的电池要静置24小时左右，以保证活性物质良好地浸润在电解液。随后用所得电池在0.4-2.1V的电位区间进行充放电。图1和图2分别为该电池的充放电性能测试曲线和循环性能测试曲线。图中显示了该WS2做正极的铝离子电池具有良好的电化学性能。
实施例2：
正极活性物质为WS2，将其与导电剂碳纳米管(CNT)、粘结剂聚四氟乙烯(PTFE)按75:15:10wt％混合，并置于一定量的酒精中分散，超声60分钟使三者均匀混合。将混合物置于60℃烘箱中烘至胶状，将胶状活性物质均匀涂在正极集流体钼片上，所得正极在120℃烘箱中干燥24小时左右得到本发明用正极。负极为在酒精中超声清洗数小时的高纯铝片，电解液为AlCl3与1-丙基-3-甲基氯化咪唑盐按摩尔比1:1的比例混合配成的离子液体。电池的壳体为50ml玻璃反应器，并配有可***电极孔的聚四氟乙烯密封盖。整个电池的组装在氧气、水含量小于0.1ppm的手套箱中。组装好的电池要静置24小时以上，以保证正极活性物质和电解液的良好接触。
实施例3：
正极活性物质为WS2，将其与导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按70:15:15wt％混合，加入无水乙醇进行分散，超声60分钟后置于60℃的烘箱中烘至胶状，将胶状活性物质均匀涂在正极集流极泡沫镍上，并于120℃烘箱中持续干燥24小时左右。采用双辊碾压机压制正极片，使得正极活性物质与正极集流体紧密接触，至此获得本发明用电池正极。负极为在酒精中超声清洗数小时的高纯铝片，电解液为AlCl3与1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐按摩尔比1:1的比例混合配成的离子液体，隔膜为玻璃纤维(GF/D)。整个电池的组装在氧气、水含量小于0.1ppm中进行。电池经密封、清洗、静置24小时后得到本发明所描述的WS2为正极的铝离子电池。

Claims (10)

1.一种WS2做正极的铝离子电池，其特征在于，其中包含正极、负极和铝离子电解质，其中正极活性物质为WS2，负极为高纯铝片，电解质为卤化铝与多种无机酸盐按比例混合而成的铝离子电解质。
2.根据权利要求1所述的WS2做正极的铝离子电池，其特征在于，所述铝离子电池正极活性物质WS2为纳米级或微米级，纯度大于等于99％的粉末状原料。
3.根据权利要求1所述的WS2做正极的铝离子电池，其特征在于，所述铝离子电解质为液体时，电池中应包含隔膜材料；所述隔膜材料应具有离子通过性的玻璃纤维材料、聚丙烯微孔隔膜材料、聚乙烯微孔隔膜材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的WS2做正极的铝离子电池，其特征在于，所述铝离子电解质中卤化铝与无机酸盐的摩尔比为0.5-2；无机酸盐为1-丁基-3-甲基咪唑氯化物、1-丙基-3-甲基咪唑氯化物、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中的一种或几种任意比例的混合物。
5.根据权利要求1所述的WS2做正极的铝离子电池，其特征在于，所述离子电池的正极集流体为钼片、泡沫镍、铂片、碳纸中的一种。
6.根据权利要求1所述的WS2做正极的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).作为铝离子电池正极材料的WS2要成粉末状，其颗粒直径在10nm-10μm；
2).将上述粉末状WS2与导电剂、粘结剂均匀混合后涂在集流体上，作为正极，集流体的材料有钼片、钛片及铂族金属；
3).将厚度0.1-1mm的高纯铝片清洗后作为负极；
4).将卤化铝与无机酸盐均匀混合，作为电解质；
5).以WS2作为正极、高纯铝片作为负极、混合均匀的离子液体作为电解质，在充满氩气的手套箱中组装电池；手套箱中的氧气含量及水含量均小于0.1ppm。
7.根据权利要求6所述的WS2做正极的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述导电剂为碳纳米管、乙炔黑、超级碳、石墨、碳粉、铂浆，银浆中的一种；粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)、铂浆、银浆中的一种。
8.根据权利要求6所述WS2做正极的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(2)中WS2用量为30-90wt％、导电剂为1-40wt％、粘结剂为1-30wt％。
9.根据权利要求6所述WS2做正极的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中高纯铝片首先裁剪成约10×15mm的片状，然后用砂纸打磨，除去其表面的氧化膜，再利用无水乙醇或丙酮浸泡进行超声清洗，最后在60℃烘箱里进行干燥。
10.根据权利要求6所述WS2做正极的铝离子电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)中卤化铝与无机酸盐混合的电解质必须在氩气保护下的手套箱中进行，装配好的电池需静置至少24小时后方可使用。
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