[發(fā)明專利]一種金屬鋁-氰基有機(jī)物二次電池的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010463120.0
• 申請(qǐng)日: 2020-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN111668536B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王明涌;郭豐;焦樹強(qiáng);涂繼國
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/054
• 分類號(hào): H01M10/054;H01M4/60;H01M4/1399
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種金屬鋁?氰基有機(jī)物二次電池的制備方法，屬于電化學(xué)電池領(lǐng)域。包含氰基(?C≡N)有機(jī)物正極、鋁/鋁合金負(fù)極、氯化鋁與無機(jī)酸鹽電解液以及視情況而選的隔膜。有機(jī)物正極材料以氰基基團(tuán)為電化學(xué)氧化還原活性位點(diǎn)，放電時(shí)，正極有機(jī)物被還原為負(fù)電性氰基有機(jī)分子，并與電解液中解離出的正電性鋁配離子(如AlCl₂⁺)鍵合，充電時(shí)，兩者發(fā)生可逆解離，負(fù)電性氰基有機(jī)分子被重新氧化為電中性氰基有機(jī)分子。金屬鋁?氰基有機(jī)物電池放電和充電電壓范圍分別為0.8～2.0V和1.0～2.2V。本發(fā)明采用的氰基有機(jī)正極具有輸出電壓高和比容量高的優(yōu)點(diǎn)，且分子可設(shè)計(jì)，廉價(jià)易得。基于該有機(jī)正極的金屬鋁二次電池具有較高的能量密度和倍率性能，有望成為下一代高性能、低成本先進(jìn)儲(chǔ)能二次電池。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬鋁-氰基有機(jī)物二次電池，屬于電化學(xué)電池領(lǐng)域。具體提供一類價(jià)格低廉、簡單易得、環(huán)保的氰基有機(jī)正極，并最終獲得一種高能量密度、長循環(huán)穩(wěn)定性的金屬鋁-氰基有機(jī)物二次電池。

背景技術(shù)

近年來，隨著煤炭、石油、天然氣的不斷減少及其使用帶來的環(huán)境壓力，開發(fā)并利用清潔可再生能源成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。考慮到可再生能源的波動(dòng)性、間歇性、周期性等特點(diǎn)，電能的存儲(chǔ)極為關(guān)鍵。由于鋁資源豐富、價(jià)格低、安全性高，可再充電金屬鋁二次電池被認(rèn)為是大規(guī)模儲(chǔ)能的理想載體。高能量密度和優(yōu)異穩(wěn)定性的金屬鋁二次電池成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的熱點(diǎn)。正極材料是決定金屬鋁電池性能的關(guān)鍵。目前，廣泛研究的金屬鋁電池正極材料主要為無機(jī)材料，如石墨和金屬基化合物(CuS、CoS、Ni₂S、CuP)。然而，石墨正極容量低，離子嵌入/脫出動(dòng)力學(xué)緩慢，體積膨脹大，造成結(jié)構(gòu)破壞，電池容量低。金屬化合物正極放電電壓低，特別是在離子液體電解液中極易溶解腐蝕，循環(huán)穩(wěn)定性差，此外，金屬化合物合成過程復(fù)雜，原材料昂貴，難以應(yīng)用大規(guī)模的儲(chǔ)能電池當(dāng)中。

與無機(jī)材料相比，有機(jī)材料具有資源豐富、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，有機(jī)材料的分子間弱的相互作用，充放電過程，材料的體積和結(jié)構(gòu)變化不明顯，有益于提高電池的循環(huán)使用壽命。因此，有機(jī)物是一種具有應(yīng)用潛力的金屬鋁二次電池正極材料。到目前為止，以有機(jī)物作為正極的金屬鋁二次電池相對(duì)較少，研究者僅發(fā)現(xiàn)含羰基(-C＝O)有機(jī)物可作為金屬鋁電池的正極材料，然而其真實(shí)容量較低(Nature Energy,2019,4(1):51-59)。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)新型有機(jī)正極材料以構(gòu)建高性能金屬鋁-有機(jī)二次電池，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述研究背景，本發(fā)明提出一種金屬鋁-氰基有機(jī)物二次電池，即以含氰基(-C≡N)有機(jī)物為正極材料，氰基基團(tuán)為電化學(xué)氧化還原活性位點(diǎn)，放電時(shí)，還原態(tài)負(fù)電性氰基有機(jī)分子與電解液中解離出的正電性鋁配離子(AlCl₂⁺、AlCl²⁺或Al³⁺)鍵合，充電時(shí)，兩者發(fā)生可逆解離，負(fù)電性氰基有機(jī)分子被重新氧化為電中性氰基有機(jī)分子。金屬鋁-氰基有機(jī)二次電池比容量和放電電壓高，可提升金屬鋁電池能量密度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

一種金屬鋁-氰基有機(jī)物二次電池，其特征在于，以氰基(-C≡N)有機(jī)物為正極材料，金屬鋁或鋁合金為負(fù)極，氯化鋁-無機(jī)酸鹽為電解液。有機(jī)物中氰基基團(tuán)數(shù)量為1～6。氰基有機(jī)物、導(dǎo)電添加劑和粘合劑在溶劑中分散均勻，涂覆于導(dǎo)電集流體上，在60～100℃和真空壓力為1Pa～100Pa下，干燥制成正極電極膜，并與負(fù)極以隔膜分隔，注入電解液，組裝得到金屬鋁-氰基有機(jī)物二次電池。放電時(shí)，正極有機(jī)物被還原為負(fù)電性氰基有機(jī)分子，并與電解液中解離出的正電性鋁配離子(AlCl₂⁺、AlCl²⁺或Al³⁺)鍵合，充電時(shí)，負(fù)電性氰基有機(jī)分子與正電性鋁配離子解離，并被重新氧化為電中性有機(jī)物。金屬鋁-氰基有機(jī)物電池放電和充電電壓范圍分別為0.8-2.0V和1.0-2.2V，充放電電流密度范圍0.01-10A g^-1，比容量50-300mAh g^-1。