[发明专利]一种高电化学窗口的铝离子电池正极和电池及其制备方法

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种高性能可充电铝离子电池正极和电池及其制备方法。本发明中加入金属酞菁作为铝离子电池正极材料中的添加剂，通过制备电极浆料、电极极片和电池袋，制得的铝离子电池在室温下大幅提高电化学窗口，达到1‑2.82V，同时铝离子电池的比容量、循环性能和倍率性能良好；且电极材料制备方法简单、成本低，可广泛应用于诸多领域，如便携式电子设备、电动汽车、通讯产业等。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种高性能可充电铝离子电池正极和电池及其制备方法。

背景技术

二次电池也称为可充电电池，是一种可重复充放电、使用多次的电池。相比于不可重复使用的一次电池，二次电池具有使用成本低、对环境污染小的优点。目前主要的二次电池种类有镍氢电池、镍铬电池、铅酸电池、锂离子电池。其中尤其以锂离子电池应用最为广泛，但锂元素储量极低，而且锂离子常用有机电解液易燃易爆，安全性较差，因此急需发展新的储能体系。在各种电池技术中，铝离子电池由于铝的丰度高、成本低、安全性高而备受关注。目前以三维泡沫石墨作为正极，1-乙基-3-甲基咪唑-AlCl₃(EMIC-AlCl₃)作为电解液的铝离子电池中化学窗口在0.7-2.45V，比容量70mAh g^-1，库伦效率在97–98％，循环寿命7000圈左右。对于该电池体系，由于EMIC-AlCl₃电解液的分解，在常温下的电化学窗口限制在2.45V。

最近有研究报道了用EMIC-AlCl₃作为电解液的铝离子电池在低温下的电化学性能。氯铝酸盐阴离子(AlCl₄^-)/石墨插层结构在低温下(大约-10℃)能够提供更高的放电比容量和更宽的电化学窗口(2.6V)，且可达到20000循环的显著循环寿命(Pana C.J.,YuanC.Z.,Zhu G.Z.et al.An operando X-ray diffraction study of chloroaluminateanion-graphite intercalation in aluminum batteries,PNAS,2018,22(115),5670-5675)。而铝金属的三电子氧化还原理论比容量为2980mAh g^-1，理想中电池的库伦效率可达到99.98％(Lin M.-C.,Gong M.,Lu B.,et al.An ultrafast rechargeable aluminiumion battery[J].Nature,2015,520(4):325-328.)。因此提高电化学窗口和比容量一直是铝离子电池研究的主要方向。

酞菁属于大环化合物，中间有一个空穴，可容纳Fe、Co、Ni、Cu、Zn等金属离子。酞菁类化合物具有特殊的结构特点，芳香族π电子在整个卟啉环上共轭，具有平面大π键共轭体系。金属酞菁配合物主要作为催化剂用于Li/SOCl₂电池。车兔林，高全昌等研究了金属酞菁配合物用作催化剂之所以能改变Li/SOCl₂电池的性能，是因为催化剂和SOCl₂之间存在相互作用，降低了反应的超电势和活化能(车兔林，高全昌,et al.金属酞菁配合物用作Li/SOCl₂电池催化剂的进展[J].电池,2008,38(3):183-185.)。西北大学许占位等对酞菁化合物的合成及其对锂/亚硫酰氯电池催化性能的研究表明酞菁能催化亚硫酰氯的还原反应，对放电产物LiCl膜有一定的疏松能力，能够降低电池的内阻(许占位.硕士学士论文.西安：西北大学，2007)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，寻求设计一种采用金属酞菁作为正极添加剂的铝离子电池，在常温下具有高电化学窗口，且比容量、循环性能和倍率性能良好。

因此，本发明的目的是这样实现的：