[发明专利]一种可充放电水系铝离子电池及其制备方法

说明书

一种可充放电水系铝离子电池及其制备工艺，属于电池技术领域，所述水系铝离子电池主要包含正极、负极、电解液和隔膜，其中正极材料为水钠锰矿型锰酸盐，负极为金属铝及其合金，电解质为三氟甲基磺酸铝水溶液，加上隔膜组成原电池体系。所述水钠锰矿锰酸盐M_xMnO_y·nH₂O，(M为金属阳离子)，层间距为0.72nm左右，晶格水存在于层间。本发明所提及的二次铝离子电池容量高(530mAh g^‑1,相对于水钠锰矿锰酸盐)，放电电位平台适宜(1.0‑1.4V vs.Al³⁺/Al)，其相应的正极能量密度也非常可观(530‑740Wh g^‑1)，材料来源广泛，制备容易，组装简易，成本低，绿色环保。

技术领域

本发明涉及一种用水钠锰矿锰酸盐作为正极材料的水系铝离子电池，属于电池技术领域。

背景技术

锂离子电池自问世以来便迅速在电子产品、动力能源、军事领域等方面得到了广泛的应用。目前，可充放电池仍然以锂离子电池为主。但是锂资源稀缺、成本昂贵、安全隐患较大，限制了锂离子电池的进一步发展。从负极的角度看，铝离子电池因铝金属负极具有较高的比容量、低成本以及高安全性等优点，而成为下一代能量储存方式之一。目前铝离子电池主要以基于氯铝盐的室温离子液体为电解液，但离子液体价格昂贵，且具有一定的安全隐患，不适合低成本、高安全性的铝离子电池的发展要求。因此寻找新型电解液一直是铝离子电池研究的重要方向。

水系铝离子电池使用铝盐的水溶液为电解液代替离子液体,消除了离子液体的安全隐患,成本也有望大幅降低。在2018年之前，水系铝离子电池主要是以氯化铝、硫酸铝、硝酸铝水溶液为电解液，二氧化钛、氧化钼等作为工作电极，石墨材料作为对电极，Ag/AgCl电极或者甘汞电极作为参比电极的三电极电池。这种三电极电池装置由于结构复杂不具备实用性。而三氟甲基磺酸铝水溶液作为电解液，可以直接使用金属铝负极组装成扣式电池、软包电池等两电极电池结构，是一种极具潜力的铝离子电池水系电解液。

水钠锰矿型锰酸盐是一类层状化合物，常见的化学式为M_xMnO_y·nH₂O，(M为金属阳离子)，层间距为0.72nm左右，晶格水存在于层间。以水钠锰矿锰酸盐作为正极材料，金属铝作为负极，三氟甲基磺酸铝作为电解液，在放电时铝离子嵌入到水钠锰矿锰酸盐的层间；充电时铝离子从层间脱出到电解液中。水钠锰矿锰酸盐材料有较好的稳定性和倍率性能，有望成为具有产业化应用的电池材料。

发明内容

本发明提供一种用水钠锰矿锰酸盐为正极材料的水系铝离子电池，具有突出的放电比容量，较好的循环性能、能量转换效率。三氟甲基磺酸铝水溶液作为电解液可直接使用金属铝作为负极，其优异的安全、污染小特性使其可大规模应用于多种绿色清洁能源的高效率储存于转换。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种可充放电水系铝离子电池，该电池的正极活性材料为水钠锰矿锰酸盐，电解液为三氟甲基磺酸铝水溶液，负极为固态金属铝或铝合金。

优选地，所述水钠锰矿锰酸盐材料的通式为M_xMnO_y·nH₂O(1≥x＞0,2≥y＞0,n≥0)，其中M选自锂、钠、钾、镁、钙、铝、锌、钛、铁、钴、镍、铜。所述水钠锰矿锰酸盐可以根据现有技术使用水热法、化学沉淀法、溶胶凝胶法等制备。

所述正极的制备方法为：将所述水钠锰矿锰酸盐正极活性材料、导电剂和粘结剂在有机溶剂中分散混合形成浆料涂覆在集流体上，然后再真空干燥箱中干燥制成所述正极。

优选地，按所述水钠锰矿锰酸盐正极活性材料、所述导电材料和所述粘结剂的总质量为100％计算，所述水钠锰矿锰酸盐的添加质量百分比为60-80％；所述导电材材料的添加质量百分比为10-30％；所述的粘结剂的添加质量百分比为5-10％；所述的有机溶剂与所述的水钠锰矿锰酸盐正极活性材料的质量比为20～35:1。