一种以含氯的离子液体为正极活性物质的电池及其组装方法技术

本发明专利技术涉及一种以含氯的离子液体为正极活性物质的电池及其组装方法，所述电池包括由阳离子交换膜隔开的正极室和负极室；所述正极室的电解液中包括含氯的离子液体，所述负极室中注入有离子液体电解液。本发明专利技术中所述含氯的离子液体是通过氯单质与有机盐反应得到的。本发明专利技术采用离子液体作为电解液，以含氯的离子液体作为正极活性物质，以铝或镁作为负极，铝、镁电极在离子液体中不存在钝化膜，因此具有较高的可逆性；本发明专利技术是一种廉价、环保、高能量比的电池体系。

A battery with an ionic liquid containing chlorine as a positive active substance and its assembly method

The invention relates to a battery and method of assembling the cathode active material in ionic liquid chlorine, the battery comprises a cathode chamber and the anode chamber cation exchange membrane separated; ionic liquids including chlorine containing electrolyte the anode chamber, the anode chamber filled with ionic liquid electrolyte. The ionic liquid containing the chlorine in the present invention is obtained by the reaction of the chlorine single substance with the organic salt. The invention adopts the ionic liquid as electrolyte with ionic liquid chlorine as cathode active material, aluminum or magnesium as anode, aluminum, magnesium electrode passivation film does not exist in ionic liquid, so it has high reversibility; the invention is a cheap, environmentally friendly, high energy battery system.

【技术实现步骤摘要】
一种以含氯的离子液体为正极活性物质的电池及其组装方法
本专利技术涉及二次电池领域，具体涉及一种电池及其组装方法，尤其涉及一种以含氯的离子液体为正极活性物质的电池及其组装方法。
技术介绍
锂离子电池曾被认为是电动汽车最具开发潜力的动力电池；然而，随着镍、钴、锂等贵金属的开发，锂离子动力电池原材料大幅度上涨，目前，电池级碳酸锂价格与2014年底相比，价格上涨了4倍多，严重制约了新能源车辆的推广与应用；锂离子动力电池安全性差，回收经济效益差也是制约其发展的重要因素。因此，研发、生产廉价、环境友好、能量密度高的二次电池一直是会被广泛关注的。卤素与廉价金属铝、镁是在自然界广泛存在的元素，从电化学原理上，卤素可以与各种金属分别作为正、负电极组成电池；铝、镁在理论上作为负极材料分别有2980Ah/Kg和2206Ah/Kg的高容量，与标准氢电极相比，具有非常低的电势(分别为-1.66V和-2.37V)，基于卤素、铝、镁的电池是非常吸引人的。但是，在有水的体系中，铝、镁作为电极存在严重的析氢反应；在有机体系中，铝、镁存在较厚的钝化膜，Al3+、Mg2+离子要穿过钝化膜迁移到电解液中是很缓慢的，所以铝、镁电极表现出动力学上的迟缓和不活泼性，这些原因制约了它们的应用。本专利技术采用离子液体作为电解液，以含氯的离子液体作为正极活性物质，以铝或镁作为负极，铝、镁电极在离子液体中不存在钝化膜，因此具有较高的可逆性，本专利技术是一种廉价、环保、高能量比的电池体系。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提供了一种电池及其组装方法，特别是一种以含氯的离子液体为正极活性物质的电池及其组装方法。为达此目的，本专利技术采用了以下技术方案：在第一方面，本专利技术提供了一种电池，其包括由阳离子交换膜隔开的正极室和负极室；所述正极室的电解液中包括含氯的离子液体，所述负极室中注入有离子液体电解液。本专利技术中，采用阳离子交换膜把正负极隔开形成正极室和负极室，正极插入正极室，将含氯的离子液体注入正极室内，作为正极活性物质；离子液体电解液注入负极室，金属Al或金属Mg片浸入该离子液体电解液中，作为负极，构置成新型电池。本专利技术的电池放电时，正极的氯得到电子，氯变成氯离子进入电解液；如果负极采用铝金属，负极铝金属失去电子，变成铝离子，并与电解液中的氯离子结合成氯化铝，溶解在电解液中；同样的，如果负极采用镁金属，化学反应相类似。本专利技术的电池充电态，氯单质是一种液体，并且会络合大量的Z-阴离子，形成离子液体，也就是本专利技术所述的含氯的离子液体，这时候，正极的活性材料(含氯的离子液体)会迁移到负极，并且与负极的金属产生放电反应，因此必须阻止氯的迁移。本专利技术提供的电池通过采用一种阳离子交换膜来阻止含氯的离子液体向负极迁移，从而实现储存电能。本专利技术所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组份赋予所述电池不同的特性。除此之外，本专利技术所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。根据本专利技术，所述含氯的离子液体是通过氯单质(氯素)与有机盐反应得到的。本专利技术提供的含氯的离子液体是作为一种新型的化学体系，以液体的形式存在于电池的正极活性材料中的。通过将该含氯的离子液体添加到正极活性材料中，从而使制得的二次电池拥有更高的比能量，实现快速充放电，延长循环寿命，并且原材料成本低。根据本专利技术，所述有机盐的通式表示为[X]+Z-；其中，[X]+表示有机阳离子，Z-表示阴离子。本专利技术中所述有机盐是由体积较大的有机阳离子和体积较小的阴离子构成的，此类物质具有很多独特性能，例如物理化学性质稳定、蒸汽压极低而不易挥发、对有机和无机物皆有良好的溶解性以及极性可调控等。在本专利技术中，所述有机阳离子可以采用咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子或季膦盐离子中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子或季膦盐离子中的任意一种，典型但非限制性的组合为：咪唑鎓离子和吡啶鎓离子；吡啶鎓离子和吡咯鎓离子；吗啉鎓离子、季铵盐离子和季膦盐离子等。根据本专利技术，所述有机阳离子优选采用季铵盐离子，其相比其它有机阳离子的优势在于：季铵盐(含有季铵盐离子的有机盐)是一种常用的化学品，其生产工艺成熟，价格低廉，可大规模采购使用。在本专利技术中，所述阴离子可以采用F-、Cl-、Br-、I-、PF6-、PB4-、CN-、SCN-、CF3SO3-、CF3COO-、SbF6-、N(CF3SO2)2-、N(CN)2-、ClO4-、HSO4-、HCO3-、OH-或NO3-中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是F-、Cl-、Br-、I-、PF6-、PB4-、CN-、SCN-、CF3SO3-、CF3COO-、SbF6-、N(CF3S02)2-、N(CN)2-、ClO4-、HSO4-、HCO3-、OH-或NO3-中的任意一种，典型但非限制性的组合为：F-和Cl-；Br-和I-；I-和PF6-；Cl-、Br-和SCN-等。示例性地，本专利技术中所述有机盐可以是：1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([C4-min]PF4)、1,3-双(2,6-二异丙基苯基)咪唑鎓氯盐、2-氯-1,3-二甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-正-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐、1-甲基-3-丙基碘化咪唑鎓、十六烷基氯化吡啶、三氯化吡啶鎓、N-烯丙基-2-烷基氯化吡啶鎓盐、1-丁基-1-甲基氯化哌啶鎓、氯代二哌啶碳鎓六氟磷酸盐、十六烷基三甲基氯化铵、四甲基氯化铵、乙基三苯基氯化膦或十六烷基三丁基氯化膦等。示例性地，本专利技术中所述含氯的离子液体可以是四乙基多卤化铵、四丁基多卤化铵、1-乙基-3-甲基-多卤咪唑、苯基三甲基多卤化铵、苄基三乙基多卤化铵、苄基三甲基多卤化铵、十二烷基三甲基多卤化铵中的任意一种或至少两种的组合。根据本专利技术，所述电池的正极室中插入有正极，所述正极优选采用碳电极。本专利技术中的碳电极所采用的碳材料为碳纳米管、碳量子点、石墨、膨胀石墨、石墨烯、炭黑或纳米碳粉中的任意一种或至少两种的组合，例如碳纳米管、碳量子点、石墨、膨胀石墨、石墨烯、炭黑或纳米碳粉中的任意一种，典型但非限制性的组合为：碳纳米管和碳量子点；碳量子点和石墨；膨胀石墨和石墨烯；石墨和炭黑；碳量子点、石墨和炭黑；石墨、炭黑和纳米碳粉、膨胀石墨和炭黑、碳纳米管和石墨烯和炭黑等。根据本专利技术，所述负极室中插入有负极，所述负极为镁或铝中的任意一种，由此构成铝二次电池或镁二次电池。根据本专利技术，用于隔开正极室和负极室所用的膜为阳离子交换膜，本专利技术中的“阳离子交换膜”意指允许阳离子而非阴离子通过。阳离子交换膜对于本领域技术人员而言是已知的，而且基于使用的环境和操作条件选择此类膜。示例性的阳离子交换膜有：Nafion膜、Selemion膜、Daramic膜，可以采用其中任意一种作为电池隔膜。本专利技术之所以采用阳离子交换膜，其原因在于：本专利技术电池放电时，正极的氯得到电子，氯变成氯离子进入电解液；如果负极采用铝金属，负极铝金属失去电子，变成铝离子，并与电解液中的氯离子结合成氯化铝，溶解在电解液中；同样的，如果负极采用镁金属，化学反应相类似；本专利技术的电池充电态，氯单质是一种液体，并且会络合大量的Z-阴离子，形成离子液体，也就是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池，其特征在于，包括由阳离子交换膜隔开的正极室和负极室；所述正极室的电解液中包括含氯的离子液体，所述负极室中注入有离子液体电解液。

【技术特征摘要】
1.一种电池，其特征在于，包括由阳离子交换膜隔开的正极室和负极室；所述正极室的电解液中包括含氯的离子液体，所述负极室中注入有离子液体电解液。2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述含氯的离子液体是通过氯单质与有机盐反应得到的；优选地，所述有机盐的通式表示为[X]+Z-；其中，[X]+表示有机阳离子，Z-表示阴离子；优选地，所述有机阳离子为咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、吡咯鎓离子、哌啶鎓离子、吗啉鎓离子、季铵盐离子或季膦盐离子中的任意一种或至少两种的组合，优选为季铵盐离子；优选地，所述阴离子为F-、Cl-、Br-、I-、PF6-、PB4-、CN-、SCN-、CF3SO3-、CF3COO-、SbF6-、N(CF3SO2)2-、N(CN)2-、ClO4-、HSO4-、HCO3-、OH-或NO3-中的任意一种或至少两种的组合。3.如权利要求1或2所述的电池，其特征在于，所述正极室中插入有正极；优选地，所述正极为碳电极。4.如权利要求1-3之一所述的电池，其特征在于，所述负极室中插入有负极；优选地，所述负极为镁或铝中的任意一种。5.如权利要求1-4之一所述的电池，其特征在于，所述阳离子交换膜为Nafion膜、Selemion膜或Daramic膜中的任意一种。6.如权利要求1-5之一所述的电池，其特征在于，所述离子液体电解液是通过无水卤化铝与有机盐反应得到的；优选地，所述有机盐的通式表示为[X...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐怀远，王媛珍，王康彦，金源，
申请(专利权)人：横店集团东磁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33