铝离子电池电解质溶液与电池制造技术

本发明专利技术公开了一种铝离子电池电解质溶液与电池。铝离子电池电解质溶液由三氯化铝、活化剂和溶剂组成。先将活化剂溶解在溶剂中，再加入三氯化铝，得到电解质溶液。组装电池时先将电解质溶液灌注在电池壳体中，再将碳电极阴极和铝阳极浸没于该溶液中，抽真空排气后密封电池壳体后即得到一种固液铝离子电池。它是一种能重复充放电的二次电池，具有能量密度高，性价比高，安全性优于锂离子电池，能快速充放电等优点，适合于用作乘用车动力电池，也可以用做与可再生能源发电装置配套的储能装置。

Electrolyte Solution and Battery of Aluminum Ion Battery

The invention discloses an electrolyte solution and a battery of an aluminium ion battery. The electrolyte solution of aluminium ion battery consists of aluminium trichloride, activator and solvent. First, the activator is dissolved in the solvent, and then aluminium trichloride is added to obtain the electrolyte solution. When assembling batteries, the electrolyte solution is poured into the battery shell, then the carbon electrode cathode and the aluminum anode are immersed in the solution. After vacuum exhaust and sealing the battery shell, a solid-liquid aluminum ion battery is obtained. It is a rechargeable secondary battery with high energy density, high cost performance, better safety than lithium ion battery, and can charge and discharge quickly. It is suitable for passenger car power battery, and can also be used as energy storage device matching renewable energy power generation device.

【技术实现步骤摘要】
铝离子电池电解质溶液与电池
本专利技术属于能源领域，具体涉及一种铝离子电解质溶液与电池。
技术介绍
出色的安全性能，高能量密度，以及很长的充放电循环寿命，使得铝离子电池被认为是有可能替代锂离子电池的下一代动力电池。目前对铝离子电池的研究主要集中在电极材料，尤其是与铝阳极配套的碳阴极材料上。很多研究者试图通过改善碳阴极材料来提高电池的总体能量密度和综合性能，而在电解质溶液方面所受关注较少。铝的氯化物在有机溶液中的表现具有共价化合物性质，不能像离子化合物那样直接电离，因此AlCl3电化学活性较弱，电导率也相对较低。电解质溶液研发滞后，已成为制约铝离子电池进入商业性应用的瓶颈。
技术实现思路
本专利技术尝试为铝离子电池提供一种电解质溶液，并将这种电解质溶液应用于固液铝离子电池。本专利技术具体采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供了一种铝离子电池电解质溶液，它是由三氯化铝、活化剂和溶剂组成，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1。这种电解质溶液的制备方法包括以下步骤：1)将活化剂溶解在溶剂中，得到混合溶液。2)在搅拌的同时，在混合溶液中加入三氯化铝，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1；隔绝空气溶解后得到电解质溶液。所述的活化剂是季铵盐或咪唑盐中的一种或数种。其中季铵盐化学通式为R4NCl。式中R为碳原子数为1至18的烷基，四个R可以为相同，也可以为不同的有机基团，代表性化合物如：十六烷基三甲基氯化铵，十八烷基三甲基氯化铵，双十烷基二甲基氯化铵，双十八烷基二甲基氯化铵，四乙基氯化铵，四丙基氯化铵，四丁基氯化铵，四戊基氯化铵。咪唑盐是咪唑、烷基咪唑的氯化物，化学式可以表示为：(C3H3N2)·Cl，(C3H2N2R)·Cl，(C3HN2R1R2)·Cl，其中R，R1和R2均为烷基，R1和R2可以为相同，也可以为不同的烷基；代表性化合物如：氯化1-乙基-3-甲基咪唑，氯化1-丁基3-甲基咪唑，氯化1-己基-3-甲基咪唑，氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑。所述的溶剂是碳酸酯类化合物中的一种或数种，所述的碳酸酯类化合物包括但不限于碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、甲基苯基碳酸酯(MPC)、γ-丁内酯(GBL)。第二方面，本专利技术提供了一种采用上述任一方案所述的电解质溶液的电池，它包括有壳体，金属铝阳极，碳阴极和电解质溶液。在铝阳极和碳阴极之间设置绝缘且允许离子透过的隔膜，或者使二者之间保持0.5-1.5mm的间隔。该电池是一种二次电池，电池放电后可重新充电重复使用。这种电池的组装和使用方法步骤如下：1)先将所述电解质溶液灌注到电池壳体内；2)将正负电极组装在一起，将电极放入盛有电解质溶液的电池壳体内，抽真空1-2小时；3)抽气完成后将电池壳体密封，将铝阳极和碳阴极分别连接在外电源的正极和负极上进行充电。所述的铝阳极是用金属铝板或金属铝棒制成的电池阳极，它的形状需与碳阴极匹配。本专利技术第三方面提供了一种从上述电池获取额外电能的方法，即：若电池在海水中工作，当电池放电完毕但急需用电时，可以通过以下步骤获取额外电能：1)将电池的正极和负极切换位置，即将金属铝阳极连接在外电路的负极上，碳电极连接在外电路的正极上；2)打开电解液槽，让电极直接接触海水，并保持电池对环境海水呈开放状态；海水与金属铝电极和碳电极发生电化学反应，形成电流并做功。本专利技术提供的铝离子电池电解质溶液具有电化学活性和电导率高的优势，适用于各种铝离子电池。基于这种电解质溶液的铝离子固液电池，具有能量密度高，性价比高，安全性优于锂离子电池，能快速充放电等优点，适合于用作乘用车动力电池，也可以用做与可再生能源发电装置配套的储能装置。当它被用于海洋装备的动力电池时，在电能耗尽时通过引入海水并切换正负极连接可提供额外的电能供应，对海洋观测装备和潜器具有特殊意义。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。各种实现方式中的技术特征在没有相互冲突的情况下，均可进行组合，不构成对本专利技术的限制。本专利技术第一方面是提供了一种铝离子电池电解质溶液，它是由三氯化铝、活化剂和溶剂组成，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1。三氯化铝在电解质溶液中的作用是提供铝离子源，但它属于共价化合物，即便是在溶解状态也不能直接电离出铝离子，因此它在电解质溶液中需和活化剂组合使用。所述的活化剂是季铵盐或咪唑盐中的一种或数种。其中季铵盐化学通式为R4NCl。式中R为碳原子数为1至18的烷基，四个R可以为相同，也可以为不同的有机基团，代表性化合物如：十六烷基三甲基氯化铵，十八烷基三甲基氯化铵，双十烷基二甲基氯化铵，双十八烷基二甲基氯化铵，四乙基氯化铵，四丙基氯化铵，四丁基氯化铵，四戊基氯化铵。咪唑盐是咪唑、烷基咪唑的氯化物，化学式可以表示为：(C3H3N2)·Cl，(C3H2N2R)·Cl，(C3HN2R1R2)·Cl，其中R，R1和R2均为烷基，R1和R2可以为相同，也可以为不同的烷基；代表性化合物如：氯化1-乙基-3-甲基咪唑，氯化1-丁基3-甲基咪唑，氯化1-己基-3-甲基咪唑，氯化1-十六烷基-3-甲基咪唑。活化剂属于离子型化合物，以季铵盐为例，阳离子为(R4N)+，阴离子为Cl-离子。在电解质溶液中，活化剂能与的三氯化铝发生加合反应，如(1)至(4)式：(R4N)Cl+AlCl3＝(R4N)[AlCl4](1)(R4N)[AlCl4]+AlCl3＝(R4N)[Al2Cl7](2)(R4N)[Al2Cl7]+AlCl3＝(R4N)[Al3Cl10](3)(R4N)[Al3Cl10]+AlCl3＝(R4N)[Al4Cl13](4)咪唑盐与三氯化铝的反应与(1)至(4)式类似，反应过程阴离子部分行为一致，差别仅在于阳离子为(C3H3N2)+，(C3H2N2R)+，(C3HN2R1R2)+。季铵盐、咪唑盐与三氯化铝反应新生成的络阴离子[AlxClx+3]-与季铵阳离子或咪唑阳离子配对组成了低熔点离子型化合物。而在反应前，三氯化铝是共价化合物，其熔体不导电，也不能提供铝离子。只有在三氯化铝与活化剂反应后，电解质溶液才具有离子化合物的性质。电解质溶液中铝的络合形式和三氯化铝与活化剂的摩尔比有关，二者为1:1时，体系中只存在[AlCl4]-络阴离子；当三氯化铝摩尔数超过活化剂时，则会出现其它形式的络阴离子。从提高电解质溶液电导率，以及降低体系熔点的角度，推荐的摩尔比为三氯化铝：活化剂摩尔比介于1:1至1.5:1。所述的溶剂是碳酸酯类化合物中的一种或数种，所述的碳酸酯类化合物包括但不限于碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、甲基苯基碳酸酯(MPC)、γ-丁内酯(GBL)。碳酸酯类溶剂具有较好的电化学稳定性且熔点较低，在锂离子电池中得到广泛的使用。铝离子电池的阳极是金属铝，阴极是碳，碳酸酯对这两类电极材料均表现惰性，不会腐蚀电极，因此碳酸酯类溶剂也适合于铝离子电池。由多种碳酸酯配伍组成的溶剂在性能上优于单组分碳酸酯，因尽量将多种碳酸酯配方使用。考虑到电解质溶液在使用前通常需要加热脱水，在溶剂配方中应优先选用熔点低、沸点高的碳酸酯，如：碳酸丙烯酯(PC)，熔点-42.9℃，沸点241.7℃；碳酸乙烯脂(EC)，熔点39℃，沸点2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝离子电池电解质溶液，其特征在于，它是由三氯化铝、活化剂和溶剂组成，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1。

【技术特征摘要】
1.一种铝离子电池电解质溶液，其特征在于，它是由三氯化铝、活化剂和溶剂组成，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1。2.一种如权利要求1所述铝离子电池电解质溶液，其特征在于，它的制备方法包括以下步骤：1)将活化剂溶解在溶剂中，得到混合溶液；2)在搅拌的同时，在混合溶液中加入三氯化铝，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1；隔绝空气溶解后得到电解质溶液。3.一种采用如权利要求1或2所述的电解质溶液的电池，其特征在于，它包括有壳体，金属铝阳极，碳阴极和所述电解质溶液；在铝阳极和碳阴极之间设置绝缘且允许离子透过的隔膜，或者使二者之间保持0.5-1.5mm的间隔；该电池是一种二次电池，电池放电后可重新充电重复使用。4.如权利要求3所述的电池其特征在于，所述的铝阳极是用金属铝板或金属铝棒制成的电池阳极，它的形状需与碳阴极匹配。5.一种如权利要求3或4所述的电池的组装和使用方法，其特征在于它的步骤如下：1)先将所述电解质溶液灌注到电池壳体内；2)将正负电极组装在一起，将电极放入盛有电解质溶液的电池壳体内，抽真空1-2小时；3)抽气完成后将电池壳体密封，将铝阳极和碳阴极分别连接在外电源的正极和负极上进行充电。6.如权利要求1或2所述的铝离子电池电解质溶液，其特征在于，所述的活化剂是季铵盐或咪唑盐中的一种或数种；其中季铵盐化学通式为R4NCl，式中R为碳原子数为1至18的烷基，四个R可以为相同，也可以为不同的有机基团；...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶瑛，夏天，张平萍，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33