可充电铝-空气电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了可充电铝‑空气电池及其制备方法。该可充电铝‑空气电池包括：负极、正极以及电解液。其中，所述负极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的液态金属纳米体颗粒；所述正极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的催化剂；所述电解液包括电解质盐和氧化铝。该可充电铝‑空气电池的负极可在常温下大规模电沉积铝，从而实现常温下的可逆充电，且具有更高的能量密度，克服了现有铝‑空气电池存在的自腐蚀、钝化与接枝效应的等问题，安全性能高，循环寿命长。

Rechargeable aluminum air battery and its preparation

The invention discloses a rechargeable aluminum air battery and a preparation method thereof. The rechargeable aluminum air battery comprises a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte. Wherein, the negative electrode comprises an aerogel carrier and a liquid metal nano particle loaded on the aerogel carrier; the positive electrode comprises an aerogel carrier and a catalyst loaded on the aerogel carrier; the electrolyte comprises electrolyte salt and alumina. The negative electrode of the rechargeable aluminum air battery can be electrodeposited on a large scale at room temperature, so as to realize reversible charging at room temperature, and has higher energy density, which overcomes the problems of self corrosion, passivation and grafting effect existing in the existing aluminum air battery, with high safety performance and long cycle life.

【技术实现步骤摘要】
可充电铝-空气电池及其制备方法
本专利技术涉及电化学领域，具体而言，本专利技术涉及可充电铝-空气电池及其制备方法。
技术介绍
铝-空气电池是一种既能将金属铝或铝合金与氧气的化学能通过电化学反应输出电能，也能将电能逆向地进行充电的电池。铝-空气电池中发现的电化学反应在电解质中进行，在一次电池或机械再充式电池中，一般使用电导率高、粘度低的水性电解液辅以一些降低析氢腐蚀速率的缓蚀剂，由于该体系电解质电化学窗口窄，铝的还原无法进行，故难以实现电池的逆向充电。在一些固体氧化物电解质中，可实现常温下铝-空气电池的可逆充放电，但该体系对于放电产物容纳度低，电解质自身电导率低，反应速率慢且容易堵塞电极，不利于制作具有高能量密度的电池体系。在一些高温熔融电池中，可实现大速率金属-空气电池的可逆充放电，但是其能耗高，维持高温的设备系统复杂，电极材料易被氧化消耗。一些离子液体作为电解液已被运用在铝离子电池与一些一次电池中并取得良好的效果，但由于其对空气与水稳定性不足以及无法高浓度容纳反应产物，难以维持电池的长使用寿命。由存在与周围空气中氧气的交换，金属-空气电池本质上是一个半开放系统，这要求其电解质自身对于氧气及水分有较高的稳定性，对电池的放电产物有较高的容纳兼容性。空气电极应具有较高效的氧气氧化还原催化性能，一般通过多种催化剂的复合，可实现同时具有良好氧气还原、析氧性能的空气电极。然而，现有的可充电铝-空气电池仍有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出可充电铝-空气电池及其制备方法。该可充电铝-空气电池的负极可在常温下大规模电沉积铝，从而实现常温下的可逆充电，且具有更高的能量密度，克服了现有铝-空气电池存在的自腐蚀、钝化与接枝效应的等问题，安全性能高，循环寿命长。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种可充电铝-空气电池。根据本专利技术的实施例，该可充电铝-空气电池包括：负极，所述负极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的液态金属纳米体颗粒；正极，所述正极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的催化剂；电解液，所述电解液包括电解质盐和氧化铝。根据本专利技术实施例的可充电铝-空气电池包括负载催化剂的正极和通过与电解液与正极隔开的多孔隙负极。正极和负极通过采用气凝胶载体，具有良好的导电性和机械性。空气正极在充分得到电解液浸润的同时可防止电解液完全渗透，利于构建气/液/固三相界面区。在电池充电过程中，正极消耗氧气，电解液中的氧化铝在负极电沉积为铝或铝合金；在电池放电过程中，正极释放氧气，负极沉积得到的铝被氧化并进入电解液。电解液具有宽电化学窗口，可以完全覆盖铝-空气电池正负极的工作电势，电解液通过空气电极直接与大气接触，对空气与水化学稳定，且对氧化铝具有良好的分散性。由此，根据本专利技术实施例的可充电铝-空气电池的负极可在常温下大规模电沉积铝，从而实现常温下的可逆充电，且具有更高的能量密度，克服了现有铝-空气电池存在的自腐蚀、钝化与接枝效应的等问题。该可充电铝-空气电池具有极高的工作鲁棒性，经过刺穿后仍能保持较高的充放电性能安全性能高，循环寿命长。另外，根据本专利技术上述实施例的可充电铝-空气电池还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述气凝胶载体包括碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶、有序生长碳纳米管和高孔隙惰性金属泡沫中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，所述液态金属纳米体颗粒由选自Ga、Sn、In和Hg中的至少之一形成。在本专利技术的一些实施例中，所述液态金属纳米体颗粒为GaSnIn合金纳米颗粒，所述GaSnIn合金纳米颗粒中Ga、Sn、In的质量比为95:(0.01～3):(0.01～2)。在本专利技术的一些实施例中，所述催化剂包括选自铂、钌、钯、铂镍合金、氮掺杂石墨烯、氮掺杂碳纳米管、钴氧化物、锰氧化物、铁氧化物和镍氧化物中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，所述催化剂包括Co3O4和MnO2，所述催化剂中Co3O4和MnO2的质量比为2:(1～3)。在本专利技术的一些实施例中，所述电解质盐包括选自疏水烷基鏻、烷基哌啶、烷氧基哌啶、烷基吗啉、烷氧基吗啉、烷基铵、烷氧基铵、烷基锍、烷基吡咯烷、烷基咪唑类氟磷酸盐、氟乙酸盐、氟硼酸盐、二氰胺盐和双(三氟甲磺酰)亚胺盐中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，所述电解质盐包括三氟甲磺酸铝、二氰胺锌(或三氟甲磺酸锌)和1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰)亚胺盐，所述三氟甲磺酸铝、二氰胺锌与所述1-丁基-1-甲基吡咯烷双(三氟甲磺酰)亚胺盐的质量比为1:(0.1～1):(1～1000)。在本专利技术的一些实施例中，在所述负极中，所述液态金属纳米颗粒与所述气凝胶载体的质量比为1:(0.1～1)。在本专利技术的一些实施例中，在所述正极中，所述催化剂与所述气凝胶载体的质量比为1:(0.05～1)。在本专利技术的一些实施例中，在所述电解液中，所述电解质盐与所述氧化铝的质量比为(1～5):1。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种制备上述实施例的可充电铝-空气电池的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：利用碳材料制备得到气凝胶载体；将液态金属纳米颗粒负载于所述气凝胶载体，得到负极；将催化剂负载于所述气凝胶载体，得到正极；利用电解质盐和氧化铝制备得到电解液；对所述负极、所述正极和所述电解液进行封装，得到所述可充电铝-空气电池。由此，该方法制备得到的可充电铝-空气电池的负极可在常温下大规模电沉积铝，从而实现常温下的可逆充电，且具有更高的能量密度，克服了现有铝-空气电池存在的自腐蚀、钝化与接枝效应的等问题。该可充电铝-空气电池具有极高的工作鲁棒性，经过刺穿后仍能保持较高的充放电性能安全性能高，循环寿命长。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的可充电铝-空气电池的循环测试结果图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种可充电铝-空气电池。根据本专利技术的实施例，该可充电铝-空气电池包括：负极、正极以及电解液。其中，负极包括气凝胶载体和负载于气凝胶载体上的液态金属纳米体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可充电铝-空气电池，其特征在于，包括：/n负极，所述负极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的液态金属纳米体颗粒；/n正极，所述正极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的催化剂；/n电解液，所述电解液包括电解质盐和氧化铝。/n

【技术特征摘要】
1.一种可充电铝-空气电池，其特征在于，包括：
负极，所述负极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的液态金属纳米体颗粒；
正极，所述正极包括气凝胶载体和负载于所述气凝胶载体上的催化剂；
电解液，所述电解液包括电解质盐和氧化铝。


2.根据权利要求1所述的可充电铝-空气电池，其特征在于，所述气凝胶载体包括碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶、有序生长碳纳米管和高孔隙惰性金属泡沫中的至少之一。


3.根据权利要求1所述的可充电铝-空气电池，其特征在于，所述液态金属纳米体颗粒由选自Ga、Sn、In和Hg中的至少之一形成。


4.根据权利要求3所述的可充电铝-空气电池，其特征在于，所述液态金属纳米体颗粒为GaSnIn合金纳米颗粒，所述GaSnIn合金纳米颗粒中Ga、Sn、In的质量比为95:(0.01～3):(0.01～2)。


5.根据权利要求1所述的可充电铝-空气电池，其特征在于，所述催化剂包括选自铂、钌、钯、铂镍合金、氮掺杂石墨烯、氮掺杂碳纳米管、钴氧化物、锰氧化物、铁氧化物和镍氧化物中的至少之一。


6.根据权利要求5所述的可充电-铝-空气电池，其特征在于，所述催化剂包括Co3O4和MnO2，所述催化剂中Co3O4和MnO2的质量比为2:(1～3)。


7.根据权利要求1所述的可充电铝-...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴普成，黄尚尉，李亚栋，陈晨，李慧，陈东方，吴子尧，任棚，王明凯，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11