CN112635760A - 一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池 - Google Patents

一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可充电的富勒烯‑铝离子安全电池，主要是以富勒烯材料为正极、铝金属为负极，离子液体为电解质的电池体系，其中参与反应的离子为氯铝酸盐阴离子。本发明的优势之处在于：本发明通过将富勒烯作为铝离子电池的正极材料，在放电过程中，富勒烯的储铝电位高达1.5V，且出现了很长的电压平台，其比容量高达200mAh g‑1，另外，电池在充放电过程中展现了良好的稳定性及安全性。

Description

一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池
技术领域
本发明属于铝离子电池技术领域，涉及一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池。
背景技术
随着当前社会发展和技术进步，在现有二次电池体系中，碱金属在空气中不能稳定存在且电解液具有可燃性，导致其会发生自燃等安全问题。而铝离子电池作为一种新型的二次储能电池，由于铝金属负极价格低廉且空气中稳定的特性，在2015年开始得到了广泛关注和研究。
当前，铝离子电池常用的正极材料主要为碳材料(石墨烯、自然石墨、热解石墨以及多孔碳等)、金属氧化物、硫化物及磷化物等，在这些材料中，金属类材料主要是通过转化反应来储存铝离子，但铝离子携带三个电荷且离子半径较大，使得该类材料在储铝过程中，循环稳定性差且可逆容量较低。对于碳材料，在储铝过程中，主要是利用电解液中的氯铝酸盐阴离子为储能离子。在该类材料中，在100mA g-1的电流密度下，石墨烯的比容量最高为150mAh g-1，该容量依旧无法满足当前能源的需求，因此，需要寻找和开发一种新型的高容量的铝离子电池。
如中国专利CN110492078A公开了一种铝离子电池正极材料、铝离子电池及应用，其复合电极材料通过球磨混合聚噻吩及石墨得到聚噻吩/石墨混合体材料，再加入炭黑、聚偏氟乙烯、1-甲基-2-吡咯烷酮进行混合得到浆料，将浆料涂在集流体上干燥即可得到正极材料，与一般的石墨烯作为正极材料的铝离子电池相似，该专利所制得的铝离子电池的比容量最好也只能达到约150mAh g-1，仍相对较低。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，通过将富勒烯作为铝离子电池的正极材料，在放电过程中，富勒烯的储铝电位高达1.5V，且出现了很长的电压平台，其比容量高达200mAh g-1。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其以富勒烯类材料制成正极、以铝金属为负极，以离子液体为电解液。
进一步的，所述正极的制备过程为：
(1)取富勒烯类材料、导电剂和粘结剂分散在溶剂中，制成具有粘稠度的浆料；
(2)再将浆料涂敷在集流体上，干燥后，即得到正极。
更进一步的，富勒烯类材料、导电剂和粘结剂的质量比为(50-80)：(10-30)：(10-20)。
更进一步的，所述的富勒烯类材料为C60、C70、C76、C78、C80或C84中的一种。
更进一步的，所述的导电剂为乙炔黑、单臂或多臂碳纳米管、石墨烯或者科琴黑中的一种或几种。
更进一步的，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶中的一种或几种。
更进一步的，所述的溶剂为去离子水、乙醇或氮甲基吡咯烷酮中的一种。
更进一步的，集流体采用惰性金属钼、钽或钛等，其厚度优选为0.01～0.1mm。
进一步的，所述的铝金属的厚度为0.01-0.5mm，并密布有孔径为0.5-2um的微孔。铝金属上带有微孔，其作用主要是为了抑制铝枝晶的生长，同时，铝金属作为负极的作用是在充放电过程中提供铝离子。
进一步的，所用隔膜为玻璃纤维、聚乙烯微孔隔膜或聚丙烯微孔隔膜中的一种。其作用主要是将正负极隔开，防止短路，在充放电过程中使离子能够顺利通过。
进一步的，所述的电解液由无水氯化铝与咪唑类、吡啶类、吡咯类或季铵类离子液体中一种按照摩尔比(1.1-1.6)：1配置而成。优选的，咪唑类离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑氯化物等。
进一步的，所述的长平台和高电压是由氯铝酸盐阴离子嵌入到富勒烯材料的空隙所致。优选的，富勒烯材料为具有体心立方结构的C60。
与现有技术相比，本发明提供了一种新型可充电的高容量、高稳定性安全的富勒烯-铝离子电池，同时，本发明提供了一种高电压、长平台、高比容量的正极材料。本发明提供的新型铝离子电池的储铝电位高达1.5V，且出现了很长的电压平台，其比容量高达300mAh g-1，在目前的碳正极材料中，容量最高。
附图说明
图1为实施例1的富勒烯材料的晶体结构示意图；
图2为实施例1的可充电铝离子电池的充电性能测试曲线；
图3为实施例2的可充电铝离子电池的倍率性能图；
图4为对比例1的膨胀石墨的充放电曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如1-乙基-3-甲基咪唑氯化物等离子液体和C60等富勒烯类材料分别购自上海成捷化学有限公司和厦门福纳新材料科技有限公司。
电池的装配技术为本领域常规技术，具体可为：(1)所用壳体为不锈钢的不同厚度的纽扣电池壳，在负极壳的内部固定一层钼箔，抑制电解液腐蚀电池壳；(2)在电池装配的过程中，按照以下顺序来放置各个组件，将正极放置在负极壳一端，然后放隔膜，滴一定量的电解液，放置负极铝金属在正极壳一端，放置钼箔避免电解液对电池壳的腐蚀，然后放置垫片，最终封装电池，整个过程都是在手套箱中进行。
另外，其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
实施例1：
以C60(晶体结构如图1所示)为正极活性材料，将C60、乙炔黑和PTFE按照质量比50：30：20混合均匀，然后滴入1mL的无水乙醇，在搅浆机中混合10min，得到一定粘稠度的浆料；将该浆料涂敷在集流体钼箔上，在80℃真空干燥箱中加热烘干12h；然后将该电极片子切成直径为8mm的圆片，即为正极片。将正极片置于有粘好钼箔的负极壳侧，然后放入玻璃纤维作为隔膜，滴入50μL的离子液体电解液(无水氯化铝与1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩尔比1.2：1配制)。然后放入0.1mm厚度的铝箔、钼箔、垫片以及正极壳，将电池封装，然后静置12h后，测试各项电化学性能。
图2显示了该可充电铝离子电池的充电性能测试曲线，如图2所示，将C60为正极与金属铝负极按照上述方法组装为电池后，该电池在200毫安每克电流密度下，其可逆放电质量比容量为195毫安时每克，且在1.56伏处存在较长的电压平台，表明C60作为铝离子电池正极材料展现了优异的电化学性能。
实施例2：
以C70为正极材料，将C70、乙炔黑和PTFE按照质量比5：3：2混合均匀，然后滴入1mL的无水乙醇，在搅浆机中混合10min，得到一定粘稠度的浆料；将该浆料涂敷在集流体钼箔上，在80℃真空干燥箱中加热烘干12h；然后将该电极片子切成直径为8mm的圆片，即为正极片。将正极片置于有粘好钼箔的负极壳侧，然后放入玻璃纤维作为隔膜，滴入50μL的离子液体电解液(无水氯化铝与1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩尔比1.2：1配制)。然后放入0.1mm厚度的铝箔、钼箔、垫片以及正极壳，将电池封装，然后静置12h后，测试各项电化学性能。
图3显示了该可充电铝离子电池的倍率性能图。如图3所示，将C70为正极与金属铝负极按照上述方法组装为电池后，该电池在分别在200、500、1000、1500、2000和4000毫安每克电流密度下，展现了320、195、140、104、55和370毫安时每克的可逆放电质量比容量，表明C70作为铝离子电池正极材料展现了优异的电化学性能。
对比例1：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将富勒烯改为等质量的膨胀石墨。图4显示了膨胀石墨的充放电曲线，如图4所示，在500mA g-1电流密度下，其放电质量比容量为63mAhg-1，且不存在很长的电压平台，表明氯铝酸盐阴离子在富勒烯材料和石墨材料中的储能机理不同。
实施例3：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了无水氯化铝与1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩尔比1.1：1配制。
实施例4：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了无水氯化铝与1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩尔比1.6：1配制。
实施例5：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了铝箔的孔径改为0.5μm。
实施例6：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了铝箔的孔径改为1.0μm。
实施例7-实施例10：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了富勒烯C60分别替换为C76、C78、C80或C84。
实施例11：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了富勒烯类材料、导电剂和粘结剂的质量比调整为80：10：10。
实施例12：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了富勒烯类材料、导电剂和粘结剂的质量比调整为75：20：15。
实施例13-实施例15：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将导电剂乙炔黑分别替换为等质量的碳纳米管、石墨烯或者科琴黑。
实施例16-实施例18：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将粘结剂PTFE分别替换为等质量的聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶。
实施例19-实施例20：
与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将无水乙醇分别替换为等质量的去离子水或氮甲基吡咯烷酮。
以上各实施例的铝离子电池中的隔膜还可以替换为聚乙烯微孔隔膜或聚丙烯微孔隔膜。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，其以富勒烯类材料制成正极、以铝金属为负极，以离子液体为电解液。
2.根据权利要求1所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所述正极的制备过程为：
(1)取富勒烯类材料、导电剂和粘结剂分散在溶剂中，制成具有粘稠度的浆料；
(2)再将浆料涂敷在集流体上，干燥后，即得到正极。
3.根据权利要求2所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，富勒烯类材料、导电剂和粘结剂的质量比为(50-80)：(10-30)：(10-20)。
4.根据权利要求2所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所述的富勒烯类材料为C60、C70、C76、C78、C80或C84中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所述的导电剂为乙炔黑、单臂或多臂碳纳米管、石墨烯或者科金黑中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶中的一种或几种。
7.根据权利要求2所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所述的溶剂为去离子水、乙醇或氮甲基吡咯烷酮中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所述的铝金属的厚度为0.01-0.5mm，并密布有孔径为0.5-2um的微孔。
9.根据权利要求1所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所用隔膜为玻璃纤维、聚乙烯微孔隔膜或聚丙烯微孔隔膜中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种可充电的富勒烯-铝离子安全电池，其特征在于，所述的电解液由无水氯化铝与咪唑类、吡啶类、吡咯类或季铵类离子液体中一种按照摩尔比(1.1-1.6)：1配置而成。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101641809A (zh) * 2006-12-12 2010-02-03 联邦科学及工业研究组织 改进的储能装置
CN103825045A (zh) * 2014-03-26 2014-05-28 北京科技大学 一种铝离子电池及其制备方法
CN104241596A (zh) * 2014-08-22 2014-12-24 北京科技大学 一种可充电铝离子电池及其制备方法
CN105977526A (zh) * 2016-06-15 2016-09-28 昆明理工大学 一种可充电铝碳电池及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101641809A (zh) * 2006-12-12 2010-02-03 联邦科学及工业研究组织 改进的储能装置
CN103825045A (zh) * 2014-03-26 2014-05-28 北京科技大学 一种铝离子电池及其制备方法
CN104241596A (zh) * 2014-08-22 2014-12-24 北京科技大学 一种可充电铝离子电池及其制备方法
CN105977526A (zh) * 2016-06-15 2016-09-28 昆明理工大学 一种可充电铝碳电池及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
尉海军，何世满: "铝离子电池研究进展", 《北京工业大学学报》 *

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