铝离子电池固体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固体电解质溶液与电池。铝离子电池固体电解质溶液由三氯化铝、活化剂、增稠剂和助熔剂组成。先将活化剂与增稠剂，或活化剂、增稠剂与助熔剂的混合物加热至熔融，再加入三氯化铝，干燥环境下冷凝得到熔融态固体电解质溶液。组装电池时先将固体电解质溶液加热至熔融，再将碳电极阴极和铝阳极浸没于该熔体中，抽真空冷却固化并密封电池壳体后即得到一种固态铝离子电池。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。

【技术实现步骤摘要】
铝离子电池固体电解质溶液与电池
本专利技术属于能源领域，具体涉及一种铝离子电池固体电解质溶液与电池。
技术介绍
铝离子电池在安全性能、高能量密度和充放电循环寿命等方面均优于锂离子电池，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。目前已经公开的铝离子电池基本上都使用了液体电解质，电解质溶液泄漏会导致电池失效或引发自燃。此外，在液体电解质溶液中，充放电反应会在铝阳极上形成晶枝，会导致电池内部短路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铝离子电池固体电解质溶液与电池。本专利技术尝试为铝离子电池提供一种固体电解质溶液，并将这种电解质溶液应用于固态铝离子电池。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固体电解质溶液，它是由三氯化铝、活化剂、增稠剂和助熔剂组成，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1。这种固体电解质溶液的一种制备方法包括以下步骤：1)先将活化剂和增稠剂加热至熔点得到熔体；对熔点高于130℃的活化剂，则需添加活化剂重量0.5至2倍的助溶剂，加热至混合物熔化后得到混合熔体。增稠剂用量相当于活化剂、助溶剂总重量的3％至10％。2)在搅拌的同时，在熔体或混合熔体中加入三氯化铝，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1；隔绝空气冷却后得到固体电解质溶液。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或(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。所述的助熔剂是碳酸乙烯脂(EthyleneCarbonate，缩写EC)。所述的增稠剂是分子量在五千至一万之间的聚乙二醇。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固体电解质溶液的电池，其特征在于，它包括有壳体，金属铝阳极，碳阴极和固体电解质溶液。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)先将固体电解质溶液加热熔融，灌注到电池壳体内；2)将正负电极组装在一起并预热到熔体的熔点温度，将电极放入注入了熔体的电池壳体内，在熔点之上恒温并抽真空1-2小时；3)加热、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。本专利技术提供的铝离子电池固体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态电池，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。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固体电解质溶液，它是由三氯化铝、活化剂、增稠剂和助熔剂组成，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，即便是在熔融、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。在固体电解质溶液中，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，固体电解质溶液才具有离子化合物的性质。固体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。从提高固体电解质溶液电导率，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。所述的助熔剂是碳酸乙烯脂(EthyleneCarbonate，缩写EC)。碳酸乙烯脂在室温下是固体，熔点为39℃。在固体电解质溶液中添加EC能有效降低体系的熔点，此外，EC在与有机盐类共熔后，在冷凝时会干扰、打乱固溶体原有的有序结构。无序化的固溶体存在许多内部结构缺陷，有利于提高它对电子、离子的传导率。助熔剂EC的用量取决于溶质季铵盐或咪唑盐的物理性质。对于自身的熔点低于130℃的活化剂，可以不必添加EC。所述的增稠剂是分子量在五千至一万之间的聚乙二醇。中等分子量聚乙二醇在室温下是固体，60至70℃熔融。它能与许多极性有机化合物具有互溶性，在熔融态能与活性剂形成均匀的熔体-溶液。添加聚乙二醇的目的是增加混合物冷凝后的粘稠度，得到类似于凝胶态的均相混合物。这种固体电解质溶液的制备方法包括以下步骤：1)先将活化剂和增稠剂加热至熔点得到熔体；对熔点高于130℃的活化剂，则需添加活化剂重量0.5至2倍的助溶剂，加热至混合物熔化后得到混合熔体。增稠剂用量相当于活化剂、助溶剂总重量的3％至10％。将活化剂和增稠剂熔融能确保它与三氯化铝混合均匀，也能提高它们混合后的反应速度。应根据活化剂的物理性质判断是否本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝离子电池固体电解质溶液，其特征在于，它是由三氯化铝、活化剂、增稠剂和助熔剂组成，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】
1.一种铝离子电池固体电解质溶液，其特征在于，它是由三氯化铝、活化剂、增稠剂和助熔剂组成，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所述铝离子电池固体电解质溶液，其特征在于，它的制备方法包括以下步骤：1)先将活化剂和增稠剂加热至熔点得到熔体；对熔点高于130℃的活化剂，则需再添加活化剂重量0.5至2倍的助溶剂，加热至混合物熔化后得到混合熔体；增稠剂用量相当于活化剂、助溶剂总重量的3％至10％。2)在搅拌的同时，在熔体或混合熔体中加入三氯化铝，三氯化铝与活化剂的摩尔比介于1:1至1.5:1；隔绝空气冷却后得到固体电解质溶液。3.一种采用如权利要求1或2所述的固体电解质溶液的电池，其特征在于，它包括有壳体，金属铝阳极，碳阴极和固体电解质溶液；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)先将所述固体电解质溶液加热熔融，灌注到电池壳体内；2)将正负电极组装在一起并预热到熔体的熔点温度，将电极放入注入了熔体的电池壳体内，在熔点之上恒温并抽真空1-2小时；3)加热、抽气...

【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：杭州怡莱珂科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33