自支撑铝离子电池及其制备方法与流程

本发明涉及一种铝离子电池，具体涉及一种自支撑铝离子电池及其制备方法，属于能源材料技术领域。

背景技术：

随着科技和经济的迅猛发展，石油、天然气和煤炭等不可再生能源日益枯竭，从而引发的环境污染和温室效应也愈加严重，因此，环境保护和能源危机是当今世界面临的两大难题，如何有效的开发并合理的利用可再生的清洁能源成为研究的重点。锂离子电池因其较高的能量密度及高电压平台而广泛的应用于电子产品、动力能源等领域，然而，受其有限的资源、昂贵的成本和较大的安全隐患的限制，阻碍了锂离子电池的持续发展。因而，寻求可替代锂离子电池的新型电池体系尤为重要。铝因其储量丰富及成本低廉，迅速的走进了研究者的视线。相对锂离子，铝离子可以转移三个电子，因此其比容量具有更大的潜力。同时，铝离子的半径小于锂离子的半径，更有利于离子在电极材料上的脱嵌，从而保持电极结构的完整，提高电池循环稳定性，并延长电池使用寿命。然而，当前铝离子电池的制造工艺尚不成熟，因此，优化铝离子电池结构，对于提高生产效率、降低电池成本并实现商业化的应用具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种自支撑铝离子电池及其制备方法，以提升铝离子电池性能，从而克服现有技术中的不足。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种自支撑铝离子电池，包括正极、负极和电解液，所述正极具有无集流体的自支撑结构，所述自支撑结构包括隔膜以及附着于所述隔膜上的导电碳材料。

优选的，所述电解液选自非水电解液。

优选的，所述负极包括高纯度铝或铝合金。

优选的，所述正极不含导电剂及粘结剂。

优选的，所述导电碳材料包括碳纳米管、石墨烯和导电聚合物中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述电解液包括铝离子电解质，例如可优选自含可自由移动Al³⁺的离子液体。

进一步的，所述离子液体包括1-丁基-3-甲基咪唑氯化盐、1-丙基-3-甲基咪唑氯化盐和1-乙基-3-甲基咪唑氯化盐的任意一种或两种以上按任意比例的组合物，但不限于此。

在一些较佳实施例中，所述铝离子电解质包括摩尔比为1.1～1.8的卤化铝与咪唑氯化盐。

进一步的，所述隔膜包括具有离子通透性的聚丙烯微孔隔膜、聚乙烯微孔隔膜和玻璃纤维材料中的任意一种，但不限于此。

本发明实施例提供了一种制备所述自支撑铝离子电池的方法，其包括：

提供隔膜，并将导电碳材料直接沉积于所述隔膜上，形成具有自支撑结构的正极；

提供负极，所述负极包括高纯度铝或铝合金；

提供含有可自由移动的Al³⁺的离子液体作为电解液；

将所述正极、负极和电解液组配形成自支撑铝离子电池。

进一步的，所述的制备方法包括：采用物理或化学方法将导电碳材料直接沉积于所述隔膜上而形成所述正极。

进一步的，所述的制备方法包括：在H₂O<1ppm、O₂<1ppm的环境中完成所述自支撑铝离子电池的封装。

本发明提供的一种新型铝离子电池结构中，正极中无需导电剂、粘结剂和集流体，大大降低了电池的重量，优化了生产工艺，降低了生产成本，极大提高了电池的性能；同时，利用导电碳材料与隔膜复合形成正极，因管状、片状或网状导电碳材料所具有的良好导电结构，为离子的嵌入脱嵌提供了快速的通道，并自身提供导电性，同时采用的隔膜具有良好的绝缘性、对电解质离子具有良好的透过性，耐腐蚀具有一定的化学和电化学稳定性，具有足够的力学性能；又及利用含铝离子的离子液体作为电解液，其具有高电导率、宽电位窗口以及良好热稳定性和化学稳定性等特点。

总之，与现有技术相比，本发明的优点包括：提供的自支撑铝离子电池能极大减轻电池自身重量，且能显著提升铝离子电池的性能，其制备工艺简单可控、经济、环境友好，适合大规模生产。

附图说明

图1为实施例1制备的自支撑铝离子电池的充放电曲线图；

图2为实施例1制备的自支撑铝离子电池的循环性能测试曲线图；

图3为实施例1制备的自支撑铝离子电池的库伦效率图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种新型超价离子电池，其为一种自支撑的基于嵌入脱嵌机制的铝离子电池，其包含正极、负极、电解液和隔膜，其中正极包含隔膜及附着于隔膜上的管状、片状或网状的导电碳材料，负极为高纯度铝或铝合金。

换言之，本发明的铝离子电池中，正极与隔膜系一体的结构。

其中，所述导电碳材料、隔膜、电解液等可选自前文所列的各种类型，此处不再赘述。

其中，所述正极无需包含任何集流体，例如无需采用业界已知的不锈钢箔或泡沫镍等。

其中，所述正极无需包含导电剂、粘结剂等，例如无需选用乙炔黑、超级碳、碳纳米管等导电剂，例如也无需采用聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯等无粘结剂。

本发明的一个方面提供了一种制备所述自支撑铝离子电池的方法。例如，在一实施案例中，所述制备方法包括如下步骤：

1)将所述的导电碳材料直接沉积于隔膜上，作为正极；

2)将高纯度铝(纯度在99.9％以上)或铝合金等清洗处理后作为负极；

3)配置含铝的离子液体作为电解液；

4)将所述正极、负极和电解液在手套箱(H₂O<1ppm、O₂<1ppm)封装形成所述自支撑铝离子电池。

进一步的，在上述步骤1)中，导电聚合物和隔膜的沉积方法可以通过化学或物理方法，例如抽滤、旋涂、物理沉积、浸渍、溅射等方法复合，但不限于此。

进一步的，在上述步骤2)中，负极的清洗方法可以包括：先以稀盐酸浸泡1-5min，之后以丙酮或乙醇超声30～90min，并真空干燥。

以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

实施例1将1mg聚苯胺(PAN)水凝胶超声分散于去离子水中，然后抽滤于直径20mm的玻璃纤维(GF/A,whatman)隔膜上，100℃真空干燥12h，作为无集流体的自支撑的正极。将 高纯度的铝箔浸泡于盐酸1～5min，丙酮超声30～90min后干燥，作为负极。氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化盐按摩尔比1.1:1合成离子液体作为电解液。在手套箱(H₂O<1ppm、O₂<1ppm)封装成2032型纽扣电池，该电池静置12h后，在0.02～2.5V进行充放电测试，其结果可参阅图1-图3。

实施例2将1mg聚苯胺气凝胶超声分散于无水乙醇中，然后抽滤于直径20mm的玻璃纤维(GF/A,whatman)隔膜上，100℃真空干燥12h，作为无集流体的自支撑的正极。将高纯度的铝箔浸泡于盐酸1～5min，丙酮超声30-90min后干燥，作为负极。氯化铝和1-乙基-3-甲基咪唑氯化盐按摩尔比1.3:1合成离子液体作为电解液。在手套箱(H₂O<1ppm、O₂<1ppm)封装成2032型纽扣电池，该电池静置12h后，在0.02～2.5V进行充放电测试，测试结果与实施例1相似。

本发明自支撑的铝离子电池制备工艺简单，安全，成本低，并可扩展到制备其他超价离子电池的制备，对于铝离子电池商用化具有极大价值。

应当理解，上述实例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。