一种聚合物固态铝二次电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚合物固态铝二次电池及其制备方法，属于电化学电池领域

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物固态铝二次电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电化学电池领域，具体涉及一种聚合物固态铝二次电池及其制备方法
。

技术介绍

[0002]近年来，随着煤炭
、
石油
、
天然气等化石能源的不断消耗及其使用带来的环境问题日益严重，大力发展可再生清洁能源是缓解温室效应
、
减轻对化石能源依赖的关键，已成为当前研究的热点
。
由于可再生清洁能源（太阳能
、
风能等）具有波动性
、
间歇性
、
周期性等特点，开发和利用高效储能装置极为关键
。
新型二次电池作为一种高效的电化学储能装置成为当前的研究热点
。
铝资源丰富
、
价格低
、
电极电势低，具有超高的质量比容量与体积比容量，以金属铝为负极的铝二次电池被认为是大规模储能的理想载体
。
目前关于金属铝二次电池的研发仍处于初步阶段，主流的研究以室温离子液体作为电解质
。
尽管室温离子液体具有高离子电导率和不易燃特性，由于其湿度敏感性
、
易泄漏
、
易分解产气以及对电池的腐蚀，采用室温离子液体的铝二次电池存在潜在的安全性问题
。
正极材料也是决定金属铝二次电池性能的关键
。
碳材料具有低成本
、
高理化稳定性
、
组成及结构可调等特点，是极具希望的铝二次电池正极材料
。
然而，电池循环过程中，离子的嵌入
/
脱出使得碳正极的体积变化较大，造成材料结构破坏，电池的循环稳定性较差
。
[0003]为了解决上述问题，通过制备凝胶电解质
[Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806799. J. Power Sources,2021, 497, 229839]、
准固态电解质
[Adv. Mater. 2022, 34, 2104557]，可以降低离子液体电解质的湿度敏感性
、
解决液态电解质易泄漏的问题
、
提高电解质的电化学稳定性
。
在提高碳基正极的循环稳定性方面，杂原子掺杂
[Inorg. Chem. Front., 2022, 9, 925
–
934. Energy Environ. Sci., 2018, 11, 3201
–
3211]、
结构调控
[Energy Storage Mater., 2018, 15, 361
–
367. Energy Storage Mater., 2020, 27, 396
–
404]等策略能有效改善碳正极在离子液体电解质的电化学性能
。
迄今，研究高面积比容量
、
优异界面稳定性
、
高安全性
、
高循环稳定性固态铝二次电池相对较少
。
[0004]因此，设计开发新型固态电解质和新型碳正极结构以构建高性能固态铝二次电池的聚合物固态铝二次电池及其制备方法，具有十分重要的现实意义和应用潜力
。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术以天然石墨作为正极活性材料，提出一种聚合物固态铝二次电池及其制备方法，聚合物固态铝二次电池包括聚合物
/
石墨正极
、
金属铝负极
、
聚合物电解质
。
通过原位自由基聚合赋予聚合物
/
石墨正极优异的界面稳定性和高负载量
。
聚合物的交联网络结构可有效提高石墨的结构稳定性，极大改善其循环性能
。
该方法工艺步骤简单
、
原料成本低，可实现大规模批量制备，所得聚合物
/
石墨正极和聚合物电解质具有很强的可加工性，所得聚合物固态铝二次电池具有较高的面积比容量和卓越的循环稳定性
。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：一种聚合物固态铝二次电池，包括聚合物
/
石墨正极
、
金属铝负极和聚合物电解质；电池按照金属铝负极
、
聚合物电解质
、
聚合物
/
石墨正极的三明治结构组装扣式电池；聚合物固态铝二次电池在宽温度范围下稳定运行，充放电电压范围为
0.1 ~ 2.4 V
，充放电电流密度范围为
0.1 ~ 1.0 mA cm2，面积比容量为
0.1 ~ 0.7 mAh cm
‑2，经过
2800
次循环充放电测试，比容量无衰减
。
[0007]所述宽温度范围为
‑
10 ~ 60
ꢀ°
C。
[0008]所述聚合物电解质以丙烯酰胺为单体，三氯化铝为络合剂
、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，二氯甲烷为溶剂，三氯化铝和有机酸盐生成的室温离子液体为电解质，偶氮二异丁腈为自由基引发剂，采用自由基聚合制备而成
。
[0009]所述聚合物
/
石墨正极以丙烯酰胺为单体，三氯化铝为络合剂
、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，二氯甲烷为溶剂，三氯化铝和有机酸盐生成的室温离子液体为电解质，石墨为正极活性材料，导电炭黑为导电添加剂，偶氮二异丁腈为自由基引发剂，采用自由基聚合而成
。
[0010]所述有机酸盐为三乙胺盐酸盐
、
氯化1‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑
、
氯化1‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑中的任一种，氯化铝和有机酸盐的摩尔比为
1.5
：
1 ~ 1.9
：1；丙烯酰胺与
N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1：
0.02 ~ 1
：
0.05
；丙烯酰胺与三氯化铝的摩尔比为1：1；丙烯酰胺与偶氮二异丁腈的摩尔比为1：
0.01 ~ 1
：
0.03
；丙烯酰胺与离子液体电解质的质量比为1：
2 ~ 1
：
10。
[0011]所述有机酸盐为三乙胺盐酸盐
、
氯化1‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑
、
氯化1‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑中的任一种，氯化铝和有机酸盐的摩尔比为
1.5
：
1 ~ 2.0
：1；丙烯酰胺与
N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1：
0.02 ~ 1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种聚合物固态铝二次电池，其特征在于：包括聚合物
/
石墨正极
、
金属铝负极和聚合物电解质；电池按照金属铝负极
、
聚合物电解质
、
聚合物
/
石墨正极的三明治结构组装扣式电池；聚合物固态铝二次电池在宽温度范围下稳定运行，充放电电压范围为
0.1 ~ 2.4 V
，充放电电流密度范围为
0.1 ~ 1.0 mA cm2，面积比容量为
0.1 ~ 0.7 mAh cm
‑2，经过
2800
次循环充放电测试，比容量无衰减
。2.
根据权利要求1所述的聚合物固态铝二次电池，其特征在于：所述宽温度范围为
‑
10 ~ 60
ꢀ°
C。3.
根据权利要求1所述的聚合物固态铝二次电池，其特征在于：所述聚合物电解质以丙烯酰胺为单体，三氯化铝为络合剂
、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，二氯甲烷为溶剂，三氯化铝和有机酸盐生成的室温离子液体为电解质，偶氮二异丁腈为自由基引发剂，采用自由基聚合制备而成
。4.
根据权利要求1所述的聚合物固态铝二次电池，其特征在于：所述聚合物
/
石墨正极以丙烯酰胺为单体，三氯化铝为络合剂
、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，二氯甲烷为溶剂，三氯化铝和有机酸盐生成的室温离子液体为电解质，石墨为正极活性材料，导电炭黑为导电添加剂，偶氮二异丁腈为自由基引发剂，采用自由基聚合而成
。5.
根据权利要求3所述的聚合物固态铝二次电池，其特征在于：所述有机酸盐为三乙胺盐酸盐
、
氯化1‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑
、
氯化1‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑中的任一种，氯化铝和有机酸盐的摩尔比为
1.5
：
1 ~ 1.9
：1；丙烯酰胺与
N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比为1：
0.02 ~ 1
：
0.05
；丙烯酰胺与三氯化铝的摩尔比为1：1；丙烯酰胺与偶氮二异丁腈的摩尔比为1：
0.01 ~ 1
：
0.03
；丙烯酰胺与离子液体电解质的质量比为1：
2 ~ 1
：
10。6.
根据权利要求4所述的聚合物固态铝二次电池，其特征在于：所述有机酸盐为三乙胺盐酸盐
、
氯化1‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑
、
氯化1‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑中的任一种，氯化铝和有机酸盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚勇，王召娣，王彦泽，李芝，郑潇逸，周玉宁，侯朝辉，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：