一种负极/陶瓷隔膜一体化电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及铝离子电池技术领域，具体涉及一种负极/陶瓷隔膜一体化电极及其制备方法和应用。本发明专利技术通过原子层沉积法、涂覆法、化学气相沉积法在铝箔表面形成三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、钛酸钡无机陶瓷薄膜，将其制备成为负极/陶瓷隔膜一体化电极，应用于铝离子电池中。该负极/陶瓷隔膜一体化电极具有化学稳定性、电化学稳定性、热稳定性好，制造能耗低，安全环保，电池组装简便等优势。通过本发明专利技术方法制备的负极/陶瓷隔膜一体化电极拓宽了无机陶瓷材料在电池技术领域的应用。宽了无机陶瓷材料在电池技术领域的应用。宽了无机陶瓷材料在电池技术领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种负极/陶瓷隔膜一体化电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉铝离子电池
，具体涉及一种负极/陶瓷隔膜一体化电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]铝是地壳中储量最为丰富的金属元素，具有质轻、延展性好、导电导热性好、化学性质较稳定等特点。铝金属阳极的理论体积比容量和质量比容量分别为8048mAh
·
cm
‑3和2981mAh
·
g
‑1，因此由于其质量/体积能量密度高、成本低且安全性高，可充电铝离子电池(AIBs)成为极具前景的下一代储能电池体系。铝离子电池(AIBs)的四大元件包括：铝负极、隔膜、电解液以及阴极四部分。其中，隔膜位于电池内部正负极之间，它是一种具有微孔结构的薄膜，其主要作用是分隔正负极，防止其直接接触造成短路，同时离子可穿过微孔形成充放电回路，保障电池正常工作；隔膜性能决定了电池的界面结构及内阻，直接影响电池的容量、循环及安全性能。
[0003]目前，已报道的可应用于AIBs的电池隔膜大多为玻璃纤维(GF)隔膜，GF隔膜具有热膨胀系数(耐受温度550℃)小，结构稳定性、化学稳定性好，吸液率和离子电导率高等优势，可以满足电池充放电的要求。但玻璃纤维(GF)隔膜的制备工艺复杂，能耗大，成本高，且其表面光滑、脆性大，纤维之间结合力较低，导致玻璃纤维(GF)隔膜的物理强度低；其次，传统的玻璃纤维(GF)隔膜与电池正负极相互独立，电池组装是由正负极电极片和隔膜堆叠装配而成，这种层状堆叠设计很容易导致层间滑移，进而导致电池发生短路或微短路现象。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种负极/陶瓷隔膜一体化电极及其制备方法和应用，本专利技术为了简化隔膜的制备工艺，降低成本和能耗，提高电池的循环寿命，分别选取钛酸钡(BaTiO3)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、二氧化锆(ZrO2)、三氧化二铝(Al2O3)五种无机陶瓷颗粒，采用原子层沉积法(ALD)、涂覆法、化学气相沉积法(CVD)使无机陶瓷颗粒自组装在铝离子电池的阳极即铝负极表面，形成负极/陶瓷隔膜一体化电极，从而实现AIBS有效长循环。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种负极/陶瓷隔膜一体化电极，包括隔膜基材(即铝箔)以及涂覆于隔膜基材上的无机陶瓷颗粒膜层。需要说明的是，该负极/陶瓷隔膜一体化电极不再需要其他任何的隔膜基材，即无机陶瓷颗粒层直接作为隔膜，具有蓄液和保液性能。其次，整个无机陶瓷膜层的厚度应保持在100
‑
200μm的范围内，这是由于无机陶瓷膜层厚度过大会增大电池的内阻，降低电池整体的能量密度；厚度过小则蓄液量不够，电池无法实现长期循环；对于使用原子层沉积法和化学气相沉积法制备的负极/陶瓷隔膜一体化电极无需粘结剂和分散剂。
[0007]一种负极/陶瓷隔膜一体化电极的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将铝箔基底进行清洗处理，得到处理铝箔；
[0009]清洗铝箔的过程为：将纯度99.9％以上的铝箔依次在丙酮溶液、乙醇溶液、去离子水中超声清洗，丙酮溶液中超声清洗时间为10
‑
60min，乙醇和去离子水中超声时间为10
‑
60min，然后烘干得到清洗干净的铝箔，烘干温度为60
‑
100℃，烘干时间为30
‑
90min；
[0010](2)采用原子层沉积法于步骤(1)的处理铝箔表面沉积BaTiO3、TiO2、SiO2、ZrO2或Al2O3颗粒，获得负极/陶瓷隔膜一体化电极；
[0011]或者：采用涂覆法于步骤(1)的处理铝箔表面涂覆BaTiO3、TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3颗粒中的一种或两种，获得负极/陶瓷隔膜一体化电极；
[0012]或者：采用化学气相沉积法于步骤(1)的处理铝箔表面沉积TiO2或SiO2颗粒，获得负极/陶瓷隔膜一体化电极。
[0013]优选的，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/Al2O3隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为100
‑
500℃，前驱体为三甲基铝，三甲基铝的源温为10
‑
100℃，载气为氩气，通入时间为0.1
‑
5s，扩散时间0.1
‑
10s；反应物为H2O或O3，H2O的通入时间为0.1
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；Al2O3的沉积圈数为5000
‑
10000。
[0014]优选的，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/ZrO2隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为100
‑
500℃，前驱体为乙基甲基胺基三甲基锆(Zr(EMA)(Me)3)，乙基甲基胺基三甲基锆的源温为10
‑
100℃，载气为氩气，通入时间为0.1
‑
5s，扩散时间0.1
‑
10s；反应物为H2O或O3，O3的通入时间为0.1
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；ZrO2的沉积圈数为5000
‑
10000。
[0015]优选的，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/TiO2隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为170
‑
300℃；前驱体为四甲醇钛或钛酸四异丙酯，钛酸四异丙酯源温为60
‑
85℃，载气为氩气，通入时间为0.2
‑
5s，扩散时间0.1
‑
10s；反应物为H2O或O3，H2O的通入时间为0.2
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；TiO2的沉积圈数为5000
‑
10000。
[0016]优选的，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/SiO2隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为300
‑
350℃，前驱体为氯化硅、双(二乙氨基)硅烷或氢化硅，源温为60
‑
85℃，载气为氩气，通入时间为0.2
‑
5s，扩散时间1
‑
10s；反应物为H2O，H2O的通入时间为0.2
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；SiO2的沉积圈数为5000
‑
10000。
[0017]优选的，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/BaTiO3隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为225
‑
250℃，前驱体为钛酸四异丙酯和双(三异丙基氯戊二烯基)钡，钛酸四异丙酯的源温为35
‑
41℃，双(三异丙基氯戊二烯基)钡的源温为145
‑
151℃，载气为氩气，钛酸四异丙酯和双(三异丙基氯戊二烯基)钡的通入时间为2
‑
5s，扩散时间15
‑
20s；反应物为H2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极/陶瓷隔膜一体化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铝箔基底进行清洗处理，得到处理铝箔：(2)采用原子层沉积法于步骤(1)的处理铝箔表面沉积BaTiO3、TiO2、SiO2、ZrO2或Al2O3颗粒，获得负极/陶瓷隔膜一体化电极；或者：采用涂覆法于步骤(1)的处理铝箔表面涂覆BaTiO3、TiO2、SiO2、ZrO2、Al2O3颗粒中的一种或两种，获得负极/陶瓷隔膜一体化电极；或者：采用化学气相沉积法于步骤(1)的处理铝箔表面沉积TiO2或SiO2颗粒，获得负极/陶瓷隔膜一体化电极。2.根据权利要求1所述的一种负极/陶瓷隔膜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/Al2O3隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为100
‑
500℃，前驱体为三甲基铝，三甲基铝的源温为10
‑
100℃，载气为氩气，通入时间为0.1
‑
5s，扩散时间0.1
‑
10s；反应物为H2O或O3，H2O的通入时间为0.1
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；Al2O3的沉积圈数为5000
‑
10000；所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/ZrO2隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为100
‑
500℃，前驱体为乙基甲基胺基三甲基锆，乙基甲基胺基三甲基锆的源温为10
‑
100℃，载气为氩气，通入时间为0.1
‑
5s，扩散时间0.1
‑
10s；反应物为H2O或O3，O3的通入时间为0.1
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；ZrO2的沉积圈数为5000
‑
10000。3.根据权利要求1所述的一种负极/陶瓷隔膜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/TiO2隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为170
‑
300℃；前驱体为四甲醇钛或钛酸四异丙酯，钛酸四异丙酯源温为60
‑
85℃，载气为氩气，通入时间为0.2
‑
5s，扩散时间0.1
‑
10s；反应物为H2O或O3，H2O的通入时间为0.2
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；TiO2的沉积圈数为5000
‑
10000。4.根据权利要求1所述的一种负极/陶瓷隔膜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/SiO2隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为300
‑
350℃，前驱体为氯化硅、双(二乙氨基)硅烷或氢化硅，源温为60
‑
85℃，载气为氩气，通入时间为0.2
‑
5s，扩散时间1
‑
10s；反应物为H2O，H2O的通入时间为0.2
‑
2s，扩散时间为0.1
‑
10s；SiO2的沉积圈数为5000
‑
10000。5.根据权利要求1所述的一种负极/陶瓷隔膜一体化电极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中原子层沉积法制备负极/BaTiO3隔膜一体化电极的具体条件：生长温度为225
‑
250℃，前驱体为钛酸四异丙酯和双(三异丙基氯戊二烯基)钡，钛酸四异丙酯的源温为35
‑
4...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昭，顾小霞，
申请(专利权)人：西安铝电科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：