[发明专利]一种可充电铝硫电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是电化学技术领域，具体的说是一种可充电铝硫电池及其制备方法。

背景技术

现代科学技术的发展、能源紧缺以及对环境保护的日益重视要求高能量密度、价格低廉且资源丰富、使用安全，环境友好的可充电池。金属铝作为电池负极是一种高能量载体，理论比容量为2980mAh/g，仅次于锂(3870mAh/g)；而其体积比容量为8050mAh/cm³，是锂的4倍，高于其他所有金属材料，其氧化还原电位也非常低为-2.35V(vsSHE)，是理想的电池负极材料。铝电池是能量密度最高的电池之一，而且对环境污染低，原料资源丰富、价格低廉、使用安全，符合电池发展的方向。

采用空气电极作为正极，由于氧是由外界取得，因此铝-空气电池的理论能量密度可达8100Wh/Kg，但目前仅有利用水溶液作为电解液的一次性铝-空气电池被开发出来，且实际能量密度只有350Wh/kg，这是由于铝电极在水溶液电解质中会产生剧烈的腐蚀，同时产生大量的废热，造成电能损耗，主要的反应说明如下：(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剧烈腐蚀时产生的大量的热。另外，更重要的是铝金属的沉积电位比析氢电位还要负，因此在水溶液中无法还原铝金属,因此使用水溶液电解液无法构成铝-空气二次电池。

硫具有1675mAh/g的理论能量密度，是已知能量密度最高的正极材料之一。无论是单质硫直接作为电极，或者是硫基化合物，与传统的正极材料相比在以下几个方面都有着极大的优势：(1)、理论比容量大；(2)、自然界中储量丰富，容易获得，价格低廉；(3)、安全无毒，对环境污染小；(4)、合成工艺简单，可与多种物质进行合成。硫作为一种理想的电池正极材料，与铝负极配合可构成价格低廉且资源丰富、无污染、使用安全、高能量密度的铝硫电池。

Licht等人于90年代开发的一种在常温下能快速放电的新型含S高比能碱性水溶液铝硫电池(US Pat：5431881，4828492，5648183)。该电池以铝合金为阳极，以溶解于碱性电解液中的聚硫化物为阴极。但由于铝阳极极化和电解液系统的不完善，实际中开发出的铝硫电池只有1.3V的电池开路电位和110Wh/kg的能量密度。此外，由于铝的还原电位比氢负，不能在水溶液中电沉积铝。因此，使用水溶液电解质的铝电池无法充电还原，只能是一次电池。

根据康奈尔大学Archer等人以及马里兰大学Taogao等人的研究，证实以单质硫(S8)为正极活性物质的还原氧化反应是一个多步电子得失过程，这种还原氧化反应具有一定的电化学可逆性。放电时(电化学还原)，硫硫键断裂，硫的氧化数降低；再充电时(电化学氧化)，硫硫键形成，硫的氧化数升高。通过这种氧化还原反应，硫基化合物中的硫可以储存和产生能量。这为单质硫用作二次电池电极活性物质提供了理论基础。

然而，根据美国斯坦福大学的崔毅教授研究，由于单质硫的反应产物溶解、电极导电性差以及电子绝缘的反应产物包裹在活性物质颗粒表面导致颗粒内部活性物质失效，造成活性物质的利用率低和循环性能差，制约了金属/硫二次电池的商品化进程。

近期，得克萨斯大学奥斯汀分校的Manthiram等人报道了一种硫/碳复合作正极的铝硫电池，虽然在一定程度上改善了电极导电性差的问题，但仍存在电池放电平台仅维持在0.75V的问题。这一问题，严重的限制了铝硫电池的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供了一种可充电铝硫电池及其制备方法，为非水电解质二次铝硫电池具有放电电压高、高电容量、可反复充放电的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可充电铝硫电池，由正极、负极、电解液和隔膜构成，所述正极由正极活性材料、导电剂、粘结剂、有机溶剂和用于导电的集流体构成，所述负极采用高纯铝箔。