固态铝离子电池制造技术

技术编号:20163333 阅读:125 留言:0更新日期:2019-01-19 00:16
本发明专利技术涉及铝离子电池领域,公开了一种固态铝离子电池,该固态铝离子电池包括正极、负极和固态电解质,所述固态电解质为(AlxZry)20/19M(PO4)3或Al2(WO4)3,其中,M为Nb、Ta、V、Mo和W中的任意一种,x和y为摩尔分数,并且0.01≤x≤0.99,0.01≤y≤1,在所述正极与所述固态电解质之间还设置有熔融盐电解质。该固态铝离子电池安全性好、成本低,且电解质是环境友好的,同时填补了铝离子电池领域中固态铝离子电池的空白。

【技术实现步骤摘要】
固态铝离子电池
本专利技术涉及铝离子电池领域,具体涉及一种固态铝离子电池。
技术介绍
作为下一代储能器件,固态电池近年来受到了广泛的关注。固态电池使用非燃的固体电解质,因而与使用液体电解质的电池相比安全性更好。此外,固态电池具有很多优点,包括较长的循环寿命,较高的能量密度,对封装和电池管理电路要求更少。铝离子电池具有低成本、无毒和资源丰富等优点,因此,铝离子电池是非常有潜力的储能器件。由于铝离子涉及三电子氧化还原反应,因而具有高的质量比容量(例如,2980mAh/g)和单位体积最高的容量(例如,8046Ah/L)。最近,美国斯坦福大学的戴宏杰教授报道了一种可充电的铝离子电池,使用金属Al作为负极,三维石墨泡沫为正极,表现出优良的倍率特性和循环稳定性,可以循环7500次,但是,他们使用了昂贵的AlCl3/[EMIm]Cl离子液体电解质,而大规模的电能储存要求电池系统不仅具有足够高的储存容量,也要求该系统是成本有效和环境友好的。目前还没有关于固态铝离子电池的报道,固体电解质是固态电池的核心,因此,寻找固态铝离子导体电解质材料对于开发固态可充电铝离子电池非常迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的含有液体电解质的铝离子电池成本高、不环保的问题,提供一种固态铝离子电池,该固态铝离子电池安全性好、成本低,且电解质是环境友好的。本专利技术提供一种固态铝离子电池,其中,该固态铝离子电池包括正极、负极和固态电解质,所述固态电解质为(AlxZry)20/19M(PO4)3或Al2(WO4)3,其中,M为Nb、Ta、V、Mo和W中的任意一种,x和y为摩尔分数,并且0.01≤x≤0.99,0.01≤y≤1,在所述正极与所述固态电解质之间还设置有熔融盐电解质。本专利技术的固态铝离子电池安全、环保、成本低,填补了铝离子电池领域中固态铝离子电池的空白。附图说明图1是(Al0.2Zr0.8)20/19M(PO4)3粉末的XRD图谱;图2是片状(Al0.2Zr0.8)20/19M(PO4)3断面的扫描电镜照片;图3是(Al0.2Zr0.8)20/19M(PO4)3的电导率随温度的变化曲线;图4是固态铝离子电池装置图,其中,a为实验测试用swagelok型电池装置示意图,b为金属铝负极制备示意图;图5是实施例1的固态铝离子电池在120℃和150℃下,2mA/g电流密度下的充放电曲线;图6是实施例2的固态铝离子电池在120℃下2mA/g电流密度下的充放电曲线;图7是对比例1的固态铝离子电池在120℃下测试过程中电压与时间关系曲线图。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术提供了一种固态铝离子电池,其中,该固态铝离子电池包括正极、负极和固态电解质,所述固态电解质为(AlxZry)20/19M(PO4)3或Al2(WO4)3,其中,M为Nb、Ta、V、Mo和W中的任意一种,x和y为摩尔分数,并且0.01≤x≤0.99(例如,x为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9),0.01≤y≤1(例如,y为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或0.99),在所述正极与所述固态电解质之间还设置有熔融盐电解质。本专利技术的固态铝离子电池相比现有技术中的液态电解质铝离子电池安全性更好、更环保,且寿命较长。既可以应用于便携式电子器件,也可以用于电动车电源或固定式储能系统,预期会有广阔的市场前景。本专利技术中,所述负极可以为现有的用于固态电池负极的材料,优选地,所述负极为金属Al或Al合金。本专利技术中,所述正极可以为现有的用于固态电池正极的材料,优选地,所述正极为V2O5纳米棒/石墨烯复合材料或谢弗雷尔相(Chevrel相)Mo6S8。根据本专利技术的一种优选实施方式,所述固态电解质(AlxZry)20/19M(PO4)3中,x为0.2,y为0.8。通常,组装完整的电池都会有金属(例如,铁板)外壳,而负极会与金属外壳接触,本专利技术中,为了防止负极与外壳接触发生腐蚀,优选情况下,所述负极未与所述固态电解质接触的表面上设置有惰性导电层作为集流体。所述惰性导电层将负极与电池外壳隔开,避免负极与金属外壳直接接触,从而防止外壳发生腐蚀。优选地,所述惰性导电层为Au、Pt或Ag镀层。本专利技术中,所述熔融盐电解质在低温(例如,室温-108℃)下为固态,在高温(例如,108-150℃)下可以熔为液态,从而改善正极和固体电解质之间的界面问题,有利于固体电解质与正极之间的离子迁移。本专利技术中,所述熔融盐电解质的用量不必过多,只要可以改善正极和固体电解质之间的界面问题即可,例如,直径为小于14mm的固体电解质片与负极之间添加的熔融盐电解质粉体的质量在5-10mg。本专利技术中,所述熔融盐电解质的选择可以为现有能够用作铝离子电池电解质的盐类,优选地,所述熔融盐电解质包含氯化钠和无水氯化铝。本专利技术中,所述氯化钠与无水氯化铝的摩尔比优选为1:1-2.57,进一步优选为1:1.63。在上述优选范围内,所述熔融盐电解质具有最低的熔融点温度,且固态铝离子电池具有较好的电化学性能。本专利技术中,所述固态电解质的形态没有特别的限定,可以根据具体的固态铝离子电池的类型进行选择,例如,所述固态电解质为片状或薄膜状。此处,所述“片状”和“薄膜状”是具有相对厚度的关系,所述“片状”相对于“薄膜状”具有更大的厚度。本专利技术中,(Al0.2Zr0.8)20/19M(PO4)3的制备方法可以包括:(1)将Al(OH)3、ZrO(NO3)2、含M的化合物和(NH4)2HPO4混合、球磨和干燥,得到前驱体,所述含M的化合物为M的氧化物和/或含M的盐类物质;(2)将所述前驱体压片并焙烧。本专利技术中,Al(OH)3、ZrO(NO3)2、含M的化合物和(NH4)2HPO4的用量可以根据(Al0.2Zr0.8)20/19M(PO4)3中的计量比进行选择,例如,Al(OH)3、ZrO(NO3)2、Nb2O5和(NH4)2HPO4的摩尔比为0.0702:0.2807:0.1667:1。本专利技术中,步骤(1)中的混合和球磨的过程可以按照本领域常规的方式实施,例如,所述混合的过程可以为在玛瑙研钵中混合1-2h,所述球磨的过程中可以使用乙醇作为球磨介质,球磨1-2h。本专利技术中,所述干燥的条件没有特别的限定,可以采用本领域的常规选择,例如,步骤(1)的干燥的条件包括:温度60-70℃,时间为12-18h。本专利技术中,将所述前驱体压片并焙烧的过程优选包括:先将步骤(1)得到的前驱体在550-650℃下进行第一次焙烧6-8h,将第一次焙烧后的粉末进行第一次压片,第一次压片得到的片状固态电解质在1020-1035℃下进行第二次焙烧14-16h,冷却至室温后,再将片状固态电解质进行粉碎、研磨和第二次压片,将第二次压片得到的片状固态电解质依次在1220-1230℃、1270-1285℃和1320-1340℃下分别焙烧14-16h。本专利技术中,所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固态铝离子电池,其特征在于,该固态铝离子电池包括正极、负极和固态电解质,所述固态电解质为(AlxZry)20/19M(PO4)3或Al2(WO4)3,其中,M为Nb、Ta、V、Mo和W中的任意一种,x和y为摩尔分数,并且0.01≤x≤0.99,0.01≤y≤1,在所述正极与所述固态电解质之间还设置有熔融盐电解质。

【技术特征摘要】
1.一种固态铝离子电池,其特征在于,该固态铝离子电池包括正极、负极和固态电解质,所述固态电解质为(AlxZry)20/19M(PO4)3或Al2(WO4)3,其中,M为Nb、Ta、V、Mo和W中的任意一种,x和y为摩尔分数,并且0.01≤x≤0.99,0.01≤y≤1,在所述正极与所述固态电解质之间还设置有熔融盐电解质。2.根据权利要求1所述的固态铝离子电池,其中,所述负极为金属Al或Al合金。3.根据权利要求1或2所述的固态铝离子电池,其中,所述正极为V2O5纳米棒/石墨烯复合材料或谢弗雷尔相Mo6S8。4.根据权利要求1-3中任一项所述的固态铝离子电池,其中,x为0.2,y...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙春文王捷
申请(专利权)人:北京纳米能源与系统研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1