一种高能量Al-MOF电池及其正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al

【技术实现步骤摘要】
一种高能量Al
‑
MOF电池及其正极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于铝离子电池
，具体涉及一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
‑
MOF电池及其正极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其高功率/能量密度占据了市场近30年的主导地位。然而，锂资源的匮乏以及锂电池的安全性问题迫切需要新一代储能技术的开发。可充电铝离子电池因其安全性高、铝资源丰富、循环寿命长等优点，在小型电子器件、电动汽车、大规模电网储能等领域表现出极大的应用潜力。为了保证铝负极的可逆溶解/沉积，现有铝离子电池大多采用室温离子液体作为电解液，其中包含多种铝配阴离子和阳离子。然而，迄今为止，这些铝配离子并不能被充分利用。基于单一类型电荷存储机制的传统正极材料，包括石墨类材料、金属化合物、有机材料等在能量密度和循环稳定性方面已接近其性能极限。因此，开发一种能够实现多离子存储的正极材料，是提高铝离子电池能量密度的关键。此外，为缓解有机小分子在电解液中的溶解问题，通过预聚合策略制备聚合物材料，可以有效提高电池的循环稳定性。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在提高铝离子电池的能量密度和循环稳定性，提供了一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
‑
MOF电池构型及其正极材料的制备方法。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0005]一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
‑
MOF电池，所述正极为2D A
‑
MOF或2D A
‑
MOF/rGO复合材料(其中A为金属元素)，所述负极为高纯铝箔，所述电解液为AlCl3/[EMIm]Cl离子液体，所述隔膜为玻璃纤维。
[0006]优选的，所述正极为2D A
‑
MOF微米片或2D A
‑
MOF微米片/rGO复合材料。
[0007]优选的，所述金属元素A为Cu、Co、Zn、Cd中的一种或多种。
[0008]优选的，所述电解液AlCl3/[EMIm]Cl离子液体的摩尔比为1.3～1.7/1。
[0009]优选的，所述正极制备方法为：将活性材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)按6/3/1的质量比在1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(NMP)中均匀混合，然后将所得浆料涂覆在钽箔集流体上，干燥后得到正极。
[0010]本专利技术还提供了一种2D A
‑
MOF及2D A
‑
MOF/rGO复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：
[0011]S1：将金属盐、吡嗪和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于120mL N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇的混合溶剂中，得到溶液A；将双极性有机配体溶解于40mL DMF和乙醇的混合溶剂中得到溶液B。
[0012]S2：在搅拌下，将步骤S1得到溶液B逐滴滴加到溶液A中，然后将所得混合溶液超声处理10min，然后转移到高压反应釜中，在80℃下反应24h。冷却至室温后，用离心机离心
10min收集紫色产物并用无水乙醇洗涤三次，在60℃下真空干燥12h得到2D A
‑
MOF微米片。
[0013]S3：将步骤2得到的2D A
‑
MOF微米片与一定质量的氧化石墨烯混合溶解于150mL DMF中，所得悬浮液超声处理1h。然后，将悬浮液转移到高压反应釜中，在120℃下反应6h。最后，将混合物过滤并用乙醇洗涤三次。在60℃下真空干燥12h得到2D A
‑
MOF/rGO复合材料。
[0014]优选的，步骤S1中所述金属盐为硝酸铜三水合物，双极性有机配体为C
48
H
30
N4O8。
[0015]优选的，步骤S1中所述金属盐、吡嗪、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和双极性有机配体的质量比4.5:1:25:5。
[0016]优选的，步骤S1中所述两种溶液A和B的混合溶剂DMF和乙醇的体积比均为3/1。
[0017]优选的，步骤S3中所述2D A
‑
MOF微米片和氧化石墨烯的质量比为20:(1
‑
2)。复合材料中还原氧化石墨烯的质量占2D A
‑
MOF微米片质量的5
‑
10％。
[0018]本专利技术具有如下有益效果：
[0019]本专利技术通过分子设计的方法将双极性有机配体和活性金属离子集成到MOF框架作为铝离子电池的正极材料，提高了电池的能量密度和循环稳定性：(1)高比表面积的二维微米片结构有利于电解液的渗透，多孔层状的框架结构允许大尺寸铝配离子的可逆嵌入/脱出；(2)双极性有机配体的多重氧化还原特性可以实现铝配阴离子(AlCl4‑
)和铝配阳离子(AlCl
2+
)的交替存储，而且高密度的活性金属位点提供了更高的存储容量；(3)坚固的MOF框架抑制了有机小分子在电解液中的溶解，可适应多种大尺寸离子的交替存储，提高了电池的循环稳定性。总之，本专利技术的Al
‑
MOF电池构型为实现高稳定性、高能量的可充电铝离子电池提供了一种先进的技术方案。
附图说明
[0020]图1为Al
‑
MOF电池放电过程的工作原理示意图；
[0021]图2为本专利技术实施例1中制得的铝离子电池用2D Cu
‑
MOF正极材料的SEM图；
[0022]图3为本专利技术实施例1中制得的铝离子电池用2D Cu
‑
MOF正极材料的TEM图；
[0023]图4为本专利技术实施例1中制得的铝离子电池用2D Cu
‑
MOF/rGO(5％)复合正极材料的SEM图；
[0024]图5为本专利技术实施例1中制备的2D Cu
‑
MOF正极和不同还原氧化石墨烯含量的2D Cu
‑
MOF/rGO复合正极组装的铝离子电池在50mA/g电流密度下的充放电曲线图。
[0025]图6为本专利技术对比例中制备的不同金属2D E
‑
MOF正极组装的铝离子电池在50mA/g电流密度下的充放电曲线图。
具体实施方式
[0026]以下所述是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也视为本专利技术的保护范围。
[0027]实施例1
[0028]将36mg硝酸铜三水合物、8mg吡嗪和200mg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解于120mL N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)/无水乙醇(体积比V/V＝3/1)的混合溶剂中得到溶液A。将40mg有机单体C
48
H
30
N4O8溶解于40mL DMF/无水乙醇(体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
‑
MOF电池，其特征在于，所述电池包括正极、负极、电解液以及隔膜，所述正极为二维金属有机框架(2D A
‑
MOF)正极或二维金属有机框架/还原氧化石墨烯(2D A
‑
MOF/rGO)复合正极，所述负极为高纯铝箔，所述电解液为氯化铝/1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑氯盐(AlCl3/[EMIm]Cl)离子液体。2.根据权利要求1所述的一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
‑
MOF电池，其特征在于，所述金属元素A为Cu、Co、Zn、Cd中的一种或多种，所述2D A
‑
MOF为微米片结构。3.根据权利要求1所述的一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
‑
MOF电池，其特征在于，所述2D A
‑
MOF/rGO复合材料中rGO的质量占2D A
‑
MOF质量的5～10％。4.根据权利要求1所述的一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
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MOF电池，其特征在于，所述正极制备方法为：将活性材料、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)按6/3/1的质量比在1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(NMP)中均匀混合，然后将所得浆料涂覆在金属集流体上，干燥后得到所述正极。5.根据权利要求4所述的一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
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MOF电池，其特征在于，所述金属集流体为高纯钽箔。6.根据权利要求1所述的一种基于多位点异性电荷存储机制的高能量Al
‑
MOF电池，其特征在于，所述电解液AlCl3/...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，焦树强，郭玉玺，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：