一种铝离子电池有机正极及铝离子电池制造技术

本发明专利技术公开了一种铝离子电池有机正极及铝离子电池，涉及二次电池技术领域。通过在正极中引入p型有机化合物，利用p型有机化合物独特的阴离子氧化还原特性，具有比其他有机材料更高的工作电压；p型有机化合物在与配位离子可逆配位

【技术实现步骤摘要】
一种铝离子电池有机正极及铝离子电池


[0001]本专利技术涉及二次电池
，具体而言，涉及一种铝离子电池有机正极及铝离子电池。

技术介绍

[0002]随着电化学储能技术的大规模应用，锂离子电池在其资源储备、固有的安全风险以及高成本方面的劣势逐步显现。当前，各种新型金属离子电池(钠离子、钾离子、锌离子、镁离子、铝离子等)作为后锂离子电池时代的替代者被广泛研究。其中，铝离子电池具有最高的体积能量密度及高的质量能量密度。并且，铝是地壳中储量最丰富的金属元素，以及铝本征的安全性，使得铝离子电池成为了极具潜力的下一代大规模储能技术。当前阶段，铝离子电池需要克服的主要阻碍之一就是开发高动力学和高稳定性的正极材料。
[0003]目前，石墨基正极材料搭配离子液体电解液是应用最广泛的铝离子电池体系。然而，受限于其大尺寸的活性载流子([AlCl4‑
]),导致其比较低的放电容量以及大的体积膨胀。此外，多种新型的阴极材料被开发出来，包括过渡金属氧化物，硫化物，硒化物，碲化物以及普鲁士蓝等，进一步提高铝离子电池的容量及能量密度。然而，由于Al
3+
具有高的电荷密度，会与正极产生强的静电相互作用，导致较差的动力学。而且，在嵌入/脱出过程中，大的体积变化也造成了阴极结构坍塌，导致循环性能恶化。相比之下，有机材料凭借其独特的配位化学机制以及灵活的结构，表现出快的动力学和高的循环稳定性。并且，有机材料主要由C,H,O,N等可持续元素组成，避免了矿产资源的限制。
[0004]但是，现有的有机正极通常表现出较低的工作电压，导致其实际应用受限。因此，设计开发新型的高电压有机正极材料基铝离子电池具有十分重要的意义。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种铝离子电池有机正极及铝离子电池，旨在解决有机铝离子电池工作电压低的问题，能够实现快速的充放电和良好的循环性能。
[0007]本专利技术是这样实现的：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种铝离子电池有机正极，按质量份数计，包括有机活性物质40
‑
80份、导电剂10
‑
50份和粘结剂8
‑
12份；
[0009]其中，有机活性物质为p型有机化合物或由p型有机化合物反应得到的聚合物。
[0010]在可选的实施方式中，有机活性物质为50
‑
70份、导电剂为20
‑
40份和粘结剂为8
‑
12份。
[0011]在可选的实施方式中，p型有机化合物为杂环化合物或其衍生物，杂环化合物中含有N、S或O元素；
[0012]优选地，p型有机化合物选自吩噻嗪、吩噁嗪、噻蒽、噻吩、哌嗪、异丙嗪、黄素和蝶啶中的至少一种。
[0013]在可选的实施方式中，聚合物是由p型有机化合物接枝在稳定的聚合物链上得到，或与其他有机化合物反应得到；
[0014]其中，稳定的聚合物链选自有机聚降冰片烯、聚乙烯苄基氯和聚乙烯中的至少一种。
[0015]在可选的实施方式中，有机活性物质选自聚3
‑
乙烯基
‑
N
‑
甲基吩噁嗪、吩噻嗪、5,10
‑
二氢
‑
5,10
‑
二苯基吩嗪、噻蒽、苯并噻吩和聚
‑
N
‑
丙基吩噻嗪中的至少一种。
[0016]在可选的实施方式中，导电剂选自乙炔黑、导电碳黑、科琴黑、石墨烯和碳纳米管中的至少一种；
[0017]粘结剂选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酸钠和丁苯橡胶中的至少一种。
[0018]第二方面，本专利技术提供一种铝离子电池，包括负极、电解液和正极，正极由前述实施方式中任一项的铝离子电池有机正极制备得到。
[0019]在可选的实施方式中，正极的制备过程包括：根据铝离子电池有机正极的组成进行配料、混合溶解后得到待涂覆料，将待涂覆料涂覆于导电集流体上、干燥；
[0020]优选地，干燥是在50
‑
120℃的条件下真空干燥5
‑
15h；
[0021]优选地，溶解过程所采用的溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮；
[0022]优选地，导电集流体的材质为钼箔；
[0023]优选地，还包括将干燥后的极片冲成所需大小的正极。
[0024]在可选的实施方式中，负极为经过表面处理的金属铝材，铝离子电池有机正极和负极利用玻璃纤维隔膜隔开；
[0025]优选地，表面处理的方式选自机械打磨、化学侵蚀、离子液体浸泡或表面涂敷人工固体电解质界面膜中的至少一种；金属铝材的厚度为20μm
‑
500μm；
[0026]更优选地，人工固体电解质界面膜的制备过程包括：经过铝阳离子取代的蒙脱石与粘结剂混合，将混合料涂覆于金属铝材上形成；
[0027]人工固体电解质界面膜的厚度为1μm
‑
10μm。
[0028]在可选的实施方式中，电解液为无水氯化铝基离子液体；
[0029]优选地，无水氯化铝基离子液体的制备过程包括：无水氯化铝和配体按照1
‑
1.5:1的比例混合而得；配体选自1
‑
乙基
‑
3甲基咪唑氯盐、尿素和乙酰胺中的至少一种。
[0030]本专利技术具有以下有益效果：通过在正极中引入p型有机化合物，p型有机化合物正极在充电过程中可以失电子，表现为阳离子特性，并于电解液中的阴离子实现配位；在随后的放电过程中，配位的阴离子可以可逆的解离，有机正极恢复电中性。本专利技术利用p型有机化合物独特的阴离子氧化还原特性，具有比其他有机材料更高的工作电压；p型有机化合物在与配位离子可逆配位
‑
解离过程中不会发生旧化学键的破坏和新化学键的形成，表现出好的化学稳定性和快的反应动力学。此外，p型聚合物正极材料在离子液体电解液中具有低的溶解度，表现出优秀的充放电循环稳定性。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0032]图1为实施例1制备的铝离子电池的循环伏安曲线；
[0033]图2为实施例1所述电池的充放电曲线；
[0034]图3为实施例1制备的铝离子电池的循环性能测试图；
[0035]图4为实施例2所述电池的充放电曲线；
[0036]图5为实施例3所述电池的循环性能测试图；
[0037]图6为实施例4所述电池的循环性能测试图；
[0038]图7为实施例5所述电池的充放电曲线；
[0039]图8为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝离子电池有机正极，其特征在于，按质量份数计，包括有机活性物质40
‑
80份、导电剂10
‑
50份和粘结剂8
‑
12份；其中，所述有机活性物质为p型有机化合物或由所述p型有机化合物反应得到的聚合物。2.根据权利要求1所述的铝离子电池有机正极，其特征在于，所述有机活性物质为50
‑
70份、所述导电剂为20
‑
40份和所述粘结剂为8
‑
12份。3.根据权利要求1或2所述的铝离子电池有机正极，其特征在于，所述p型有机化合物为杂环化合物或其衍生物，所述杂环化合物中含有N、S或O元素；优选地，所述p型有机化合物选自吩噻嗪、吩噁嗪、噻蒽、噻吩、哌嗪、异丙嗪、黄素和蝶啶中的至少一种。4.根据权利要求3所述的铝离子电池有机正极，其特征在于，所述聚合物是由所述p型有机化合物接枝在稳定的聚合物链上得到，或与其他有机化合物反应得到；其中，所述稳定的聚合物链选自有机聚降冰片烯、聚乙烯苄基氯和聚乙烯中的至少一种。5.根据权利要求1或2所述的铝离子电池有机正极，其特征在于，所述有机活性物质选自聚3
‑
乙烯基
‑
N
‑
甲基吩噁嗪、吩噻嗪、5,10
‑
二氢
‑
5,10
‑
二苯基吩嗪、噻蒽、苯并噻吩和聚
‑
N
‑
丙基吩噻嗪、中的至少一种。6.根据权利要求1或2所述的铝离子电池有机正极，其特征在于，所述导电剂选自乙炔黑、导电碳黑、科琴黑、石墨烯和碳纳米管中的至少一种；所述粘结剂选自聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：付超鹏，杨照辉，张佼，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：