[发明专利]一种含铝电解质及使用这种电解质的二次铝电池

说明书

技术领域

本发明属电化学与新能源领域，涉及一种二次铝电池，尤其是涉及一种使用卤铝酸离子液体电解质的二次铝硫电池。 

背景技术

铝二次电池是继铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂二次电池之后的新一代化学电源。铝二次电池体系与其他二次电池相比，具有能量更大、成本更低、重量更轻、体积更小、更环保、更安全稳定、性价比更高等特点，是可以循环利用持续发展的可再生新能源。金属铝廉价、易得、易回收，而且铝是地球上含量最丰的金属元素，开采、开发、加工、利用成本非常低；铝的比能量很高，理论电化学比容量达2980mAh/g，在金属元素中仅次于锂；铝的体积比容量为8050 mAh/cm³，高于现在所有电池负极材料，是理想的负极材料。元素硫也具有较大的理论能量密度（1670mAh/g），是已知能量密度最大的正极材料。因此，铝硫电池从各方面来说都是一种价格低廉、能量密度高、使用安全的理想电池。 

虽然铝-空气电池的理论能量密度可达8100Wh/Kg，但实际能量密度只有 350Wh/kg。这是因为铝电极在水溶液电解质中会产生的很多问题 ：(1) 铝合金与氧之间有很强的亲和力，在空气和水溶液中，表面生成一层致密的钝化氧化膜，使铝在中性溶液中的电极电位达不到应有的理论电极电位，铝的实际工作电位比理论值低很多，同时还造成放电时的电压滞后现象。(2) 铝为典型的两性金属，活泼性较高，易与酸、碱作用，使氧化膜破坏，而氧化膜一旦被破坏就会迅速被腐蚀，使电极的利用率低，且湿贮存性能差。(3) 铝在碱性溶液中自腐蚀较大，容易与介质发生严重析氢反应，降低了电极的利用率，影响电池的正常工作。(4) 碱性介质中，铝阳极成流反应和腐蚀反应产物均为胶状 Al(OH)₃，不但降低电解质电导率而且增加铝阳极极化，使得铝电池性能恶化。(5)需要热交换系统排除铝在碱性溶液中的溶解和腐蚀产生的大量的热。因此，想要实现铝硫电池的可充电，首先需要解决的就是电解质中的铝的电沉积-溶出问题。电解质的选择很大程度上决定着二次铝电池的工作机制，影响电池的比能量、循环性能、倍率充放电性能、安全性、储存性能和造价等。选择合适的电解质是实现二次电池高性能、长寿命、安全性和低造价的重要前提。。 

发明内容

（一）发明目的 

本发明的目的在于提供一种卤铝酸离子液体电解质，以实现铝的电化学沉积-溶出。 

本发明的目的还在于提供一种使用这种电解液的二次铝电池。 

本发明中的术语“二铝次电池”包括例如“铝二次电池”、“可充电铝电池”、“铝蓄电池”、“铝储能电池”以及类似的概念。 

（二）技术方案 

为了实现上述目的，本发明提供了一种二次铝电池方案，包括： 

(a) 一种电解质，其中所述电解质为N-烷基咪唑盐酸盐-卤化铝离子液体；

(b) 一个包含电化学活性含硫物质的正极；

(c) 一个含铝活性材料的负极；

下面是本发明电化学电池优选的负极、正极、电解质的描述。 

正极 

本发明的电池的正极包括含有电化学活性含硫物质的正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。其中，术语“电化学活性含硫物质”在这里指包含硫元素的正极活性物质，其中，电化学活性涉及硫-硫共价键的断裂或形成。 

方案所述的电化学活性含硫物质,包括但不限于元素硫和包含硫原子和碳原子的有机硫化合物，它们可以是聚合或非聚合的。有机硫化合物包括硫化聚乙炔、多硫化碳炔、多硫代聚苯乙烯、硫化聚氯乙烯、多硫代苯、硫化聚丙烯腈、多硫代萘、多硫代苯胺、多硫代吡啶、多硫代噻吩、多硫代吡咯、多硫代呋喃等。 

方案所述的导电剂包括但不限于石墨基材料、碳基材料和导电聚合物。石墨基材料包括导电石墨KS6，碳基材料包括Super P、Ketjen黑、乙炔黑或炭黑。导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔，或它们的混合物。 

方案所述的粘合剂为聚乙烯醇 (PVA)、聚四氟乙烯（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚苯乙烯丁二烯共聚物（SBR）、氟化橡胶和聚氨酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸乙酯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚己内酰胺、聚丁二烯、聚异戊二烯、聚丙烯酸，及其衍生物、混合物或共聚物。 

集流体包括但不限于不锈钢、铜、镍、钛、铝。更优选的是碳涂布的铝集流体，更容易覆盖包括正极活性物质的涂层，具有较低的接触电阻，并且可抑制硫化物的腐蚀。 

负极