熔融盐电解质及其制备方法、可快充铝硫电池及其应用技术

本发明专利技术涉及铝硫电池技术领域，具体而言，涉及熔融盐电解质及其制备方法、可快充铝硫电池及其应用。所述的熔融盐电解质包括通式为A

【技术实现步骤摘要】
熔融盐电解质及其制备方法、可快充铝硫电池及其应用


[0001]本专利技术涉及铝硫电池
，具体而言，涉及熔融盐电解质及其制备方法、可快充铝硫电池及其应用；更具体地，涉及熔融盐电解质及其制备方法、可快充铝硫电池、储能装置及其应用。

技术介绍

[0002]电网调频调峰、太阳能发电站、风力发电站、储备电源、智慧微网、通信基站和新能源电动汽车等领域迫切需要大规模电化学储能技术。当前的锂离子电池使用可燃的有机电解液，且受限于高成本、储能有限的锂元素，难以实现大规模利用。可充电铝电池由于铝负极低成本、高地壳元素含量、高比容量的特点，是一种有前途的新一代储能系统。硫正极因其大的理论容量和高资源丰度，作为高性能可充电铝电池中的一个理想的正极选择。
[0003]由于Al
3+
的尺寸较小以及复杂的三电子反应，现有铝硫电池主要使用常规的室温离子液体电解液。然而，使用室温离子液体的铝硫电池面临着缓慢的硫转换反应动力学，呈现出较差的倍率性能(一般C/20～C/10)和高达0.75V的过电势，大大降低了其能量密度和能量效率。这种低动力学反应可归因于电解质中铝离子团簇解离相关的能垒较高，以及导致的硫转化反应的困难。并且，室温离子液体成本较高，也制约了铝硫电池的大规模实际应用。
[0004]此外，制备具有高反应动力学的铝离子电解质，使得硫正极在铝硫电池中实现高的比容量和倍率性能，是实现高能量密度和功率密度的铝硫电池的前提。常规的铝硫电池通常在非常低的硫元素面载量和小的电流密度条件下，才可实现铝硫电池的可逆循环，这导致了铝硫电池的电芯能量密度和功率密度过低，难以实现应用。在卤铝酸盐电解质中，与卤素共价结合的Al
3+
需从在铝酸盐的聚阴离子中解离出来，才可实现铝硫电池的充放电过程，而通常高度有序、高对称性的铝
‑
卤素共价键的断键能垒高，这决定着电解质的脱溶剂化能力，现有电解质难以实现高的反应动力学。
[0005]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一目的在于提供一种熔融盐电解质，通过引入至少两种卤族元素，改变了熔融盐电解质的活性离子/分子基团类型，多卤素的协同作用提高了离子/分子基团的无序度和不对称性，降低了铝
‑
卤素共价键的断键能垒，实现了熔融盐电解质的快速反应动力学。一方面解决了基于常温离子液体的铝金属电池所面临的动力学差的问题，另一方面解决了单一氯化物熔融盐电解质面临的铝
‑
氯键断键势垒高的动力学问题。
[0007]本专利技术的第二目的在于提供一种熔融盐电解质的制备方法，该制备方法具有操作简单、工艺流程短、制备成本低以及适合大批量生产等优点。
[0008]本专利技术的第三目的在于提供一种可快充铝硫电池，该可快充铝硫电池通过采用特定的熔融盐电解质，能够加快电化学反应动力学，从而实现了可快充铝硫电池的高容量和
快充性能。
[0009]本专利技术的第四目的在于提供一种储能装置。
[0010]本专利技术的第五目的在于提供如上所述的储能装置在电网调频调峰、太阳能发电站、风力发电站、储备电源、智慧微网、通信基站和新能源电动汽车中的应用。
[0011]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0012]本专利技术提供了一种熔融盐电解质，包括通式为A
a
AlX
b
的熔融盐。
[0013]其中，所述熔融盐在高于其熔点的温度下为均相的单一相液体。所述通式A
a
AlX
b
为名义通式，代表所述熔融盐中对应元素的相应比例，并不一定指代指纯物质，所述通式符合各元素正负化合价的代数和为零的原则。并且，所述通式A
a
AlX
b
中的a、b分别为对应元素所占的摩尔分数，即1摩尔A
a
AlX
b
中含有a摩尔的A元素、1摩尔的Al元素和b摩尔的X元素。
[0014]其中，A选自Ca、Mg、Li、Na、K、Rb和Cs中的至少一种；X包括至少两种不同的卤族元素；0.1≤a≤1，3.1≤b≤4。
[0015]当A
a
AlX
b
通式中a<0.1，b<3.1时，熔融盐含有大量挥发性较强的卤化铝，因此所述熔融盐电解质挥发性强，无法正常作为电解质使用。
[0016]本专利技术提供的熔融盐电解质，通过引入至少两种不同种类的卤族元素，改变了熔融盐电解质的活性离子/分子基团类型，多卤素的协同作用提高了离子/分子基团的无序度和不对称性，降低了铝
‑
卤素共价键的断键能垒，实现了熔融盐电解质的快速反应动力学，从而可以实现铝硫电池的高容量和快充性能。
[0017]在本专利技术一些具体的实施方式中，所述通式A
a
AlX
b
中的A可以选自Ca、Mg、Li、Na、K、Rb和Cs中的任意一种，也可以选择任意两种或者多种的组合。优选地，所述A选自Ca、Mg、Li、Na、K、Rb和Cs中的至少两种，或者，至少三种。
[0018]在本专利技术一些具体的实施例中，所述卤族元素包括F、Cl、Br和I中的至少一种。
[0019]在本专利技术一些具体的实施例中，所述通式A
a
AlX
b
中的X选自F、Cl、Br和I中的至少两种，还可以选择三种。优选地，所述通式A
a
AlX
b
中的X选自Cl、Br和I中的至少两种，或者Cl、Br和I这三种的组合。
[0020]在本专利技术一些具体的实施方式中，所述通式A
a
AlX
b
中的a包括但不限于0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.53、0.55、0.58、0.6、0.63、0.64、0.65、0.68、0.7、0.72、0.75、0.78、0.79、0.8、0.85、0.9、0.95、1中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；优选为0.25～1。
[0021]在本专利技术一些具体的实施方式中，所述通式A
a
AlX
b
中的b包括但不限于3.1、3.15、3.2、3.25、3.3、3.35、3.4、3.45、3.5、3.55、3.6、3.64、3.65、3.7、3.75、3.78、3.79、3.8、3.85、3.9、3.95、4中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；优选为3.3～4。
[0022]当所述熔融盐电解质含有两种及以上的不同卤族元素时，电解质熔化后产生的具有电化学活性的活性离子/分子基团与单卤素的熔融盐电解质完全不同，因此电解质实际运行时离子脱溶剂化能力及参与反应的工作机理也不同。具体地，例如，当熔融盐电解质只含Cl时，其熔化后经过一系列化学平衡反应产生的活性离子/分子基团包括Al2Cl6，Al2Cl7‑
，Al3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.熔融盐电解质，其特征在于，包括通式为A
a
AlX
b
的熔融盐；其中，A选自Ca、Mg、Li、Na、K、Rb和Cs中的至少一种；X包括至少两种不同的卤族元素；0.1≤a≤1，3.1≤b≤4。2.根据权利要求1所述的熔融盐电解质，其特征在于，所述熔融盐电解质包括通式为A
a
AlY
c
Z
d
的熔融盐；其中，A选自Ca、Mg、Li、Na、K、Rb和Cs中的至少一种；Y和Z各自独立地选自F、Cl、Br和I中的一种，且Y和Z为不同的两种卤族元素；0.1≤a≤1，0.001≤c≤4，0.001≤d≤4；优选地，0.25≤a≤1；优选地，c≥d；优选地，d：(c+d)＝0.001～0.5。3.根据权利要求1所述的熔融盐电解质，其特征在于，所述熔融盐电解质包括通式为A
a
AlY
c
Z
d
W
e
的熔融盐；其中，A选自Ca、Mg、Li、Na、K、Rb和Cs中的至少一种；Y、Z和W各自独立地选自F、Cl、Br和I中的一种，且Y、Z和W为不同的三种卤族元素；0.1≤a≤1，0.001≤c≤4，0.001≤d≤4，0.0001≤e≤4；优选地，0.25≤a≤1；优选地，c≥d；优选地，d≥e；优选地，d：(c+d+e)＝0.001～0.5；优选地，e：(c+d+e)＝0.0001～0.2。4.根据权利要求1～3任一项所述的熔融盐电解质，其特征在于，所述熔融盐电解质的熔点为75～350℃。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞全全，孟甲申，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：