[发明专利]一种采用液态金属镓为负极的铝离子电池

说明书

一种采用液态金属镓为负极的铝离子电池，属于电化学电池领域。本发明所述电池特征在于，包含纯度99.9％‑99.999％的液态镓负极、正极、氯化铝与无机酸盐电解液以及根据具体情况而选的隔膜。液态金属镓直接置于电池底层作为负极，或置于坩埚内作为负极。采用固态导电材料作为液态镓负极极耳。充电过程，铝离子在液态镓负极表面还原为铝原子并溶解扩散进入液态镓体相，放电过程，溶解于液态镓中的铝原子扩散至镓表面并氧化为铝离子进入电解液。充放电电压范围0.1‑2.4V，电流密度范围0.01‑10A g^‑1。本发明所采用的液态镓负极具有抗腐蚀、抑制Al枝晶，并可循环利用的特点。基于该负极的铝离子电池，具有循环寿命长、能量密度高、安全稳定的优点，可用于大规模储能或汽车动力电池等。

技术领域

本发明涉及一种采用液态金属镓为负极的铝离子电池，属于电化学电池领域，具体可获得无枝晶、抗腐蚀、可循环利用的铝离子电池负极，并最终获得长寿命、高能量密度、安全稳定的大规模储能或汽车动力用铝离子电池。

背景技术

随着石油、煤炭、天然气等非可再生能源的不断减少，及其造成的环境问题凸显，开发并利用可再生的绿色新能源成为了当前的研究热点。其中，电能无疑是一种清洁的，且可采用多种途径(如水力、风力、太阳能等)收集的重要能源。然而，电能的收集过程往往伴随着间歇式，非连续性过程，因此有必要将其储存在二次电池中，以此实现电能的持续应用。

在过去的几十年中，铅酸蓄电池因为价格低廉，易于制造而被广泛应用，然而其能量密度低，且废旧电池造成的污染问题严重；因此，能量密度高、环境污染较小的锂离子电池得到了快速发展。然而，地壳中锂含量较少，且锂电池在服役过程中容易发生起火、爆炸等危险，因此开发新型的二次电池体系是当前该领域的研究热点。

相对而言，地壳中存在大量的铝元素，且铝本身具备优异的理论能量密度(2980mAh g^-1，8040mA h cm^-3)，同时基于室温氯化铝-无机盐体系的铝离子电池不会发生燃烧与爆炸。因此，铝离子电池有望成为下一代、低成本、可大规模应用的二次电池体系。事实上，关于铝离子电池的研究已经取得了长足发展，并已开发了系列高容量密度、高工作平台的正极材料(如热解石墨、硫化镍、硫化铜、碲、硒等)。同时，关于新型柔性、宽温度、宽电势窗的铝离子电池用电解液也在不断发展。然而，电池的负极材料却没有获得过多的关注，依然以金属铝为负极。尽管铝负极成本低廉，理论能力密度高，然而其在循环过程中，因为铝的不均匀沉积/溶解造成的腐蚀、枝晶问题严重，并最终导致负极粉末化，电池永久失效。此外，粉末化的铝负极无法再次利用，最终造成金属铝的浪费。

发明内容

基于上述研究背景，本发明提出一种采用液态金属镓为负极的铝离子电池。液态镓负极在循环过程中不会生成枝晶，也不会发生腐蚀，同时循环之后的镓负极可以再次循环利用。为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种采用液态金属镓为负极的铝离子电池，其特征在于包含纯度99.9％-99.999％的液态镓负极、正极、氯化铝与无机酸盐电解液以及根据具体情况而选的隔膜。液态金属镓直接置于电池底层作为负极，或置于坩埚内作为负极。采用固态导电材料作为液态镓负极极耳。充电过程，铝离子在液态镓负极表面还原为铝原子并溶解扩散进入液态镓体相，放电过程，溶解于液态镓中的铝原子扩散至镓表面并氧化为铝离子进入电解液。充放电电压范围0.1-2.4V，电流密度范围0.01-10Ag^-1。

所述坩埚可以为侧壁开孔的刚玉、石英、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯或玻璃坩埚，电解质通过坩埚侧壁的孔与负极液态镓接触。

所述导电极耳为钼、镍、铜、钨、锆、铪、铂、钛等高熔点、化学性质不活泼的金属丝或石墨棒，并将该金属丝或石墨棒插入液态镓负极中使其导电。