专利名称：一种基于碘离子传导的铝碘电池的制作方法
技术领域：
本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种Al/I2(铝碘)电池。
背景技术：
便宜，环境友好且具有高能量密度的电化学储存装置是会被广泛应用的。由于铝在理论上作为正极材料有2980Ah/Kg的高容量，与标准氢电极相比，低的电势为-1.66V vs SHE，所以基于铝的电池是非常吸引人的。关于该电池的研究已经很广泛，但是，在有水的体系中，铝的侵蚀和氢气的释放是无可避免的。在无水体系中，Al3++离子要穿过氧化层迁移到电解液中是很缓慢的，所以铝电极表现出动力学上的迟缓和不活泼性。作为比较，不管是一次性的锂电池或者是可充电的锂电池的发展都很迅速，部分原因是由于锂离子能够快速传导的特性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于碘离子传导的新型铝电池，与以前介绍过的靠阳离子来传导的铝电池体系不同，碘离子扮演了这个传导者的角色，在无水的铝一次性电池中是可以储能的。
本发明提出的基于碘离子传导的铝碘电池，以铝片作为工作电极，以含碘的材料作为阴极和/或电解质，实现碘离子传导。
本发明的铝碘电池具体可以有如下三种结构形式1、所说的作为阴极的含碘材料为碘和碳的复合片，碘和碳的质量比为9∶1-7∶3；中间无间隔层，构成Al/I2-C电池。
2、在(1)中，中间还有碘离子导体作为电解质，该电解质由LiI(HPN)4和SiO2(如15nm)组成，其中，SiO2占电解质总质量的2-25％，构成Al/LiI(HPN)+SiO2/I2-C电池。
3、以碳片作为参比电极，由无水的乙睛溶液中加入KI和I2作为电解质，其中，KI在乙睛溶液中饱和，构成Al/I2+KI+CH3CN/C电池。
本发明提出的铝碘电池具有非常好的放电行为。
本发明中电池的恒电流充放电测试是于室温下在LAND电池测试系统(CT2001A，武汉金诺电子有限公司)上进行的。放电条件开路电位到0.1V。交流阻抗谱的测试采用电化学工作站(CHI660A，上海辰华仪器有限公司)。
上述电铝碘电池的制备方法分别介绍如下1、直接使用一个具有一定大小的铝片做阳极，按一定的质量比将碘和碳机械混合研磨均匀，然后压成一个具有一定大小的碘片作为阴极。用2个不锈钢作为电流收集极。可以直接将铝片与碘片扣在一起，中间没有任何隔离物，组成Al/I2-C电池。电池可以在空气中装配。该电池结构可见附图1(a)所示。
Al/I2-C电池中没有使用任何隔离物。一旦碘接触到铝，就会自发的形成一层AlI3作为中间层。开路电位在06～0.9V。放电电流在100-101mA/cm2数量级下，放电容量在102mAh/g数量级。交流阻抗谱的结果显示电池放电过程中的电阻是连续增加的，这种趋向表明了一个离子传导的电解质层正在铝与碘之间逐渐形成。
2、可以采用一个碘离子(I-)导体作为电解质，如LiI(HPN)4与SiO2的复合物，其中SiO2占电解质总质量的2-25％。它是个非常好的I离子导体，碘离子导电率在10-3～10-4S/cm。将碘离子导体电解质放在铝片与前述的碘片(碘与碳的复合片)之间，组成Al/LiI(HPN)4SiO2/I2-C电池。该电池结构可见附图2(a)所示。
本发明Al/LiI(HPN)4-SiO2/I2-C电池，也具有相似的开路电位与放电行为。在放电时，碘离子越过LiI(HPN)4-SiO2固体电解液与铝反应生成AlI3，接下去的反应是关于碘离子越过已形成的AlI3层。因此，Al/I2电池能运行这个事实表明了AlI3是I-的导体，碘离子可以通过铝表面而与发生进一步的反应。
该电池中，也可用其它I离子导体代替LiI(HPN)4SiO2(15nm)复合物电解质。
3、采用非水的溶液作为电解质的铝碘电池，该电池结构可见附图3(a)中所示。该电池中以Al片作为一个工作电极，以碳片作为参比电极，以含碘的非水溶液作为电解质。连接Al片与碳片，可以产生放电行为。其中，含碘的非水溶液采用无水的乙睛(CH3CN)中放入KI和I2，其中KI在乙睛溶液中过饱和，两个电极都浸没在此溶液中，构置成Al/I2+KI+CH3CN/C电池。非水溶液中含有反应活性的碘，以及具有碘离子传导的碘离子(KI)。其它含碘的非水溶液也可以，但该溶液不能与Al或AlI3发生反应。
该电池也具有与前面的电池相似的放电过程。在mA/cm2数量级。放电测试结果显示放电容量在102mAh/g数量级范围。而且，Al/I2+KI+CH3CN/C电池有与Al/I2-C电池阻抗随放电而变化的相似规律。这些结果说明Al/I2在无水电解液的体系中发生与在固体电解液中相似的化学反应。
这些制备方法均基于Al与I2，而能够提供高的放电电流密度，在mA/cm2数量级。放电测试结果显示放电容量在102mAh/g数量级范围。
总的来说，本发明中主要采用基于碘离子快速传导的特性，在无水电解液或者固体电解液中，铝都可以与碘结合生成有效的能量储存体系。本发明的碘离子传导体系与现在的以阳离子传导的电池相比，也是一种提供能量储存的方式。
图1Al/I2-C电池结构及其放电曲线(放电电流为0.1C)。其中，(a)为电池结构，(b)为放电曲线。
图2Al/LiI(HPN)4+SiO2/I2-C电池结构及其放电曲线(放电电流为0.2C)。其中，(a)为电池结构，(b)为放电曲线。
图3Al/KI+CH3CN+I2/C电池结构及其放电曲线(放电电流为0.1C)。其中，(a)为电池结构，(b)为放电曲线。
具体实施例方式
实施例1一次性的Al/I2-C电池如下构造直接使用一个厚度为0.8mm，面积为0.6cm2的铝片做阳极，碘和碳以质量比8.5∶1.5机械的混合研磨均匀，然后压成一个小片(直径＝11.3mm，厚度＝0.5mm)作为阴极。此两个电极都被放到用不锈钢作为电流容器的纽扣电池中。电池在以氩气干燥的手套箱中装配，中间没有任何隔离物或者电解液。在室温下以Land BT 1-40电池测试系统测试电池的放电过程。交流阻抗是用CHI 660电化学工作系统在0.01-1M的频率范围内于室温下测试并记录。如图1显示，Al/I2-C电池在2mA/cm2放电电流下，放电容量为200mAh/g.
实施例2一次性的Al/LiI(HPN)2-20％wt SiO2/I2-C电池使用一个厚度为0.5mm，面积为0.2cm2的铝片做阳极，碘和碳以质量比8∶2机械的混合研磨均匀，然后压成一个小片(直径＝11.3mm，厚度＝0.4mm)作为阴极。此两个电极都被放到用不锈钢作为电流容器的纽扣电池中。电池在以氩气干燥的手套箱中装配，中间采用LiI(HPN)4与质量分数为15％的SiO2(15nm)组成的I-导体作为电解质。在室温下以Land BT 1-40电池测试系统测试电池的放电过程。交流阻抗是用CHI 660电化学工作系统在0.01-1M的频率范围内于室温下测试并记录。如图2显示，Al/LiI(HPN)2-20％wt SiO2/I2-C电池在4mA/cm2放电电流下，放电容量为146mAh/g.
实施例3Al/I2+KI+CH3CN/C电池Al片作为一个工作电极，碳片作为参比电极，无水溶液由10ml乙睛(CH3CN)，3.154g KI和0.167g I2组成，碘离子的浓度是0.1mol/L，KI在CH3CN溶液中处于饱和状态，两个电极都浸没在此溶液中。在室温下以Land BT 1-40电池测试系统测试电池的放电过程。交流阻抗是用CHI 660电化学工作系统在0.01-1M的频率范围内于室温下测试并记录。如图3显示，Al/I2+KI+CH3CN/C电池在2mA/cm2放电电流下，放电容量为154mAh/g.
因此，本发明中基于Al与碘为储能材料，这些不同制备方法均有非常好的放电行为，而显示了储能功能。
权利要求
1.一种基于碘离子传导的铝碘电池，其特征在于以铝片作为工作电极，以含碘的材料作为阴极和/或电解质，实现碘离子传导。
2.根据权利要求1所述的铝碘电池，其特征在于所说的作为阴极的含碘材料为碘和碳的复合片，碘和碳的质量比为9∶1-7∶3；中间无间隔层，构成Al/I2-C电池。
3.根据权利要求2所述的铝碘电池，其特征在于中间还有碘离子导体作为电解质，该电解质由LiI(HPN)4和SiO2组成，其中，SiO2占电解质总质量的2-25％，构成Al/LiI(HPN)+SiO2/I2-C电池。
4.根据权利要求1所述的铝碘电池，其特征在于以碳片作为参比电极，由无水的乙睛溶液中加入KI和I2作为电解质，其中，KI在乙睛溶液中饱和，构成Al/I2+KI+CH3CN/C电池。
全文摘要
本发明属于电化学技术领域，具体为一种新型的铝碘电池。它采用碘作为正极，金属Al作为负极，含有/未含碘传导的无水体系或者以固体有机晶体合成物作为电解质，碘离子能够穿透金属表面的氧化层而与金属发生电化学反应。在一个以碘传导的无水体系中，铝电极显示出非常高的电化学活性。本发明是一种以碘离子为导体的新型储能方式。这些电池能够提供高的放电电流密度10
文档编号G01N27/403GK1870334SQ20061002569
公开日2006年11月29日 申请日期2006年4月13日 优先权日2006年4月13日
发明者傅正文, 姚佳, 程孙超 申请人:复旦大学