CN110492178B - 一种铝离子电池电解液、电池及应用 - Google Patents

一种铝离子电池电解液、电池及应用 Download PDF

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Abstract

本公开属于铝离子电池技术领域，具体公开了一种铝离子电池电解液、电池及应用。铝离子电池由于具有良好的充放电循环性能、使用安全性等优点受到研究人员的青睐。发明人认为，现有技术中公开的铝离子电池电解液价格较为昂贵，并且电容量较低。针对上述缺陷，本公开提供了一种铝离子电池电解液，以AlCl3/C13H22ClN作为电解液，电池在25A g‑1下，13秒就可以完成充放电。本公开提供了C13H22ClN作为铝离子电池电解液的应用，拓展了铝离子电池开发的研究方向。该电池具有良好的充放电性能，并且价格低廉，更利于工业扩大化生产，具有良好的推广意义。

Description

一种铝离子电池电解液、电池及应用
技术领域
本公开属于铝离子电池技术领域，具体涉及一种铝离子电池电解液、电池及应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着社会工程化程度的提高，环境问题愈发严重。诸如空气污染、能源消耗、有机污染、温室效应等持续性问题，严重阻碍着社会的进步、威胁人类的健康。为了应对上述环境问题，新能源和能源储存装置越来越受到人们的重视。目前，锂离子电池、镁离子电池、钠离子电池和钾离子电池等是本领域内研究较为深入的电化学储能装置。其中，由于铝储量丰富，并且铝离子电池安全性能良好、循环性能优越、能够发生高度可逆的三电子氧化还原反应，可在高电流密度下实现快速充电，更加符合人们的现代化需求而受到青睐。
戴宏杰团队在《nature》上发表了题为“An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery”研究成果，该电池采用泡沫石墨作为正极、金属铝作为负极、玻璃纤维作为隔膜、电解液采用AlCl3/[EMIm]Cl，上述电池可实现7500圈充放电，一分钟充满电，具有良好的充放电性能。发明人认为，上述铝离子电池电解液体系(AlCl3/[EMIm]Cl)价格较为昂贵，工业扩大化生产成本较高，另外，还具有电池容量低等缺点。
发明内容
针对上述研究背景，发明人认为开发一种价格廉价并且性能较好的铝离子电池电解液对于工业扩大化生产具有重要的意义。本公开提供了一种铝离子电池电解液，该电解液价格廉价、电池循环性能较好，在高电流密度下能较好的充放电，并实现13秒充放电。
针对上述技术效果，本公开提供以下技术方案：
本公开第一方面，提供C13H22ClN(三乙基苄基氯化铵)在铝离子电池电解液中的应用。
本公开第二方面，提供AlCl3/C13H22ClN作为铝离子电池电解液的应用。
本公开第三方面，提供一种铝离子电池，所述铝离子电池包括正极、负极、电解液；所述正极的原料包括石墨、PVDF、碳黑；所述电解液为AlCl3/C13H22ClN；所述负极为98％-99.999％纯度的铝。
优选的，所述正极的制备方法如下：将石墨、PVDF、碳黑混合后加入溶剂使其混合均匀得到浆料，将所述浆料涂布在集流体上，干燥溶剂后得到正极。
进一步优选的，所述石墨、PVDF、碳黑按照质量比例为7～10:0.8～1.2:0.8～1.2进行混合。
进一步优选的，所述集流体为镍、钼箔；更优选为钼箔。
在一些具体的实施例中，所述钼箔厚度为12～18μm。
优选的，所述电解液为r＝AlCl3/C13H22ClN，其中r是AlCl3和C13H22ClN的摩尔比例，并且2.2≦r≦2.6。
本公开研究表明，对电解液中AlCl3及C13H22ClN的比例进行调节时，可以对电池的性能进行调节。在上述摩尔比例范围内，该电池的电导率可在450～540μS/cm范围内进行调节。
优选的，所述电解液的制备方法如下：将AlCl3和C13H22ClN置于惰性气体氛围内混合后加热、再经搅拌、静置得到离子液体。
进一步优选的，所述加热温度为130～150℃。
进一步优选的，所述加热时间为0.8～1.2h。
本公开第四方面，提供一种扣式电池，扣式电池内部自正极向负极方向依次为正极壳、支撑件、负极、隔膜、正极和负极壳。
优选的，所述隔膜为Whatman玻璃纤维；进一步的，为Whatman-934玻璃纤维。
优选的，所述正极壳、负极壳材质为不锈钢材质。
优选的，所述电解液量不少于15μL。
优选的，所述支撑件为弹簧片和钢片，所述弹簧片放置于靠近负极壳一侧。
进一步优选的，扣式电池的制备方法为：将正极放置于负极壳上，向正极材料上滴加电解液，再依次放入隔膜、铝箔、钢片、弹簧片和正极壳，经压制形成扣式电池。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开提供了一种性能优良的铝离子电池电解液，首次提供了C13H22ClN在铝离子电池电解液中的应用。通过调整AlCl3/C13H22ClN中两种成分的比例，可以实现对电池性能的调整。该电解液价格廉价、电池循环性能较好，在高电流密度下可实现13秒充放电。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为电池阴极石墨的SEM图；
图2为实施例1-3中所制备电解液的拉曼光谱分析结果图；
其中，①代表摩尔比例r＝2.2电解液的拉曼光谱。②代表摩尔比例r＝2.4电解液的拉曼光谱。③代表摩尔比例r＝2.6电解液的拉曼光谱。
图3为实施例4中正极(阴极)材料的XRD图；
图4为实施例7中铝电池的CV曲线图；
图5为铝电池的循环曲线；
图6为铝电池在个电流密度下的充放电时间曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，铝离子电池具有安全、高效等特点受到青睐。现有技术中的铝离子电池成本较为昂贵，并且电池容量较低，不利于工业扩大化生产。本公开提供了一种铝离子电池电解液及相应的铝离子电池，具有价格低廉及良好的充放电性能。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。
实施例1电解液的制备
将无水三氯化铝(AlCl3)和三乙基苄基氯化铵(C13H22ClN)以及所需玻璃器皿(称量瓶、玻璃棒、汤匙)在实验之前在60℃下干燥处理12小时，之后转移到氩气手套箱中。按照一定比例称量AlCl3和C13H22ClN混合于称量瓶内，r＝2.4。将称量瓶置于加热板上，加热板设置为140℃，恒温加热1h，之后将称量瓶放置于磁力搅拌器上匀速搅拌5min，取下，静置到室温，获得咖喱色状离子液体。
实施例2电解液的制备
将无水三氯化铝(AlCl3)和三乙基苄基氯化铵(C13H22ClN)以及一些玻璃器皿(称量瓶、玻璃棒、汤匙)在实验之前在60℃下干燥处理12小时，之后转移到氩气手套箱中。按照一定比例称量AlCl3和C13H22ClN混合于称量瓶内，r＝2.2。将称量瓶置于加热板上，加热板设置为130℃，恒温加热1.2h，之后将称量瓶放置于磁力搅拌器上匀速搅拌5min，取下，静置到室温，获得咖喱色状离子液体。
实施例3电解液的制备
将无水三氯化铝(AlCl3)和三乙基苄基氯化铵(C13H22ClN)以及一些玻璃器皿(称量瓶、玻璃棒、汤匙)在实验之前在60℃下干燥处理12小时，之后转移到氩气手套箱中。按照一定比例称量AlCl3和C13H22ClN混合于称量瓶内，r＝2.6。将称量瓶置于加热板上，加热板设置为150℃，恒温加热0.8h，之后将称量瓶放置于磁力搅拌器上匀速搅拌5min，取下，静置到室温，获得咖喱色状离子液体。
通过拉曼光谱分析实施例1-3中电解液，结果如图2所示，从图中可以看出，上述实施例中电解液AlCl3/C13H22ClN中存在阴离子AlCl4 -和Al2Cl7 -，并且在摩尔比例r＝2.4时，阴离子的强度最大。
通过调整AlCl3和C13H22ClN的摩尔比例，测试电解液的性能如下表1所示。
表1不同摩尔比电解液性能表
Figure BDA0002177431520000061
实施例4正极材料的制备
将石墨、PVDF和碳黑按照质量比8:1:1的比例混合，滴加NMP作为溶剂，搅拌24小时使浆料混合均匀，将浆料涂布在钼箔(99％，15μm厚)，60℃保温12小时，在冲片模具上冲下直径14mm的圆片作为铝离子电池正极。
如图3所示，从该材料的XRD图中可以看出，和初始阴极片相比，充放电第二圈的阴极片的峰强变化说明了在充放电过程中AlCl4 -的嵌入和脱嵌引起了石墨阴极的结构变化，从而证明了铝电池以AlCl3/C13H22ClN为电解液充放电时的充放电机理。
实施例5正极材料的制备
将石墨、PVDF和碳黑按照质量比7:0.8:0.8的比例混合，滴加NMP作为溶剂，搅拌24小时使浆料混合均匀，将浆料涂布在钼箔(99％，12μm厚)，55℃保温10小时，在冲片模具上冲下直径14mm的圆片作为铝离子电池正极。
实施例6正极材料的制备
将石墨、PVDF和碳黑按照质量比10:1.2:1.2的比例混合，滴加NMP作为溶剂，搅拌24小时使浆料混合均匀，将浆料涂布在钼箔(99％，18μm厚)，65℃保温14小时，在冲片模具上冲下直径14mm的圆片作为铝离子电池正极。
实施例7电池的组装
在氩气手套箱中组装2025型号扣式电池，扣式电池内部结构自正极向负极方向依次为正极壳、弹簧片、钢片、铝箔、隔膜(Whatman-934)、正极、和负极壳。将正极放置于负极壳上，向正极材料上滴加15μL的电解液，再依次放入隔膜、铝箔、钢片、弹簧片和正极壳，在模具上压制成型。
如图4所示，其中钼集流体的CV曲线是水平线，没有氧化还原峰，说明铝电池在充放电过程中，钼不参与反应，说明钼适合作为铝电池的集流体。铝电池的CV曲线可以得出两个氧化峰(1.53-2.08V、2.21-2.40V)和对应的两个还原峰(1.15-1.53V、1.71-2.01V)。
如图5所示，在电流密度5A g-1下，以AlCl3/C13H22ClN为电解液的铝电池可以取得117mA h g-1的比容量。
如图6所示，电池在25A g-1下，13秒就可以完成充放电。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铝离子电池，其特征在于，所述铝离子电池包括正极、负极、电解液；所述正极的原料包括石墨、PVDF、碳黑、NMP；所述电解液为AlCl3/C13H22ClN；
所述电解液为r=AlCl3/C13H22ClN，其中r是AlCl3和C13H22ClN的摩尔比例，并且2.2≦r≦2.5；
所述负极为铝；
所述电解液的制备方法如下：将AlCl3和C13H22ClN置于惰性气体氛围内混合后加热、再经搅拌、静置得到离子液体；
所述加热温度为130~150℃；
所述加热时间为0.8~1.2h。
2.如权利要求1所述铝离子电池，其特征在于，所述正极的制备方法如下：将石墨、PVDF、碳黑混合后加入NMP使其混合均匀得到浆料，将所述浆料涂布在金属箔上，保温一段时间得到该正极。
3.如权利要求2所述铝离子电池，其特征在于，所述石墨、PVDF、碳黑按照质量比为7~10:0.8~1.2:0.8~1.2进行混合。
4.如权利要求2所述铝离子电池，其特征在于，所述金属箔为钼箔。
5.如权利要求4所述铝离子电池，其特征在于，所述钼箔厚度为12~18μm。
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