[發明專利]多基團有機小分子為正極的金屬鋁二次電池的制備方法

有效

• 申請號: 202010464147.1
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111668481B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 王明涌;郭豐;焦樹強
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60;H01M10/054;H01M4/46;H01M10/0566;H01M4/66;H01M4/04
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種多基團有機小分子為正極的金屬鋁二次電池的制備方法，屬于電化學電池領域。有機物不同于傳統的鋁電池正極材料是無機物，其具有傳統無機材料不具有的優點，有機物以取代基為參照，可分為單一取代基有機物和多取代基有機物。多取代基有機正極材料相對于單一取代基有機正極材料，在電解液當中具有較低的溶解度。多基團小分子有機物作為鋁離子電池正極材料具有高放電平臺，高容量、良好的循環穩定性的特性。具體地，通過設計，引入不同取代基改變有機分子的能級水平，從而提高鋁離子電池的放電電壓。另一方面多基團有機物與電解中離子的結合能低。抑制有機物在電解液中的化學溶解。有望用于設計下一代高能量密度、環境友好、可持續的鋁離子儲能電池當中。

技術領域

本發明涉及一種多基團有機小分子為正極的金屬鋁二次電池，屬于電化學電池領域。具體提供一種價格低廉，簡單易得，低溶解性的金屬鋁二次電池有機正極材料，并最終獲得高能量密度、長循環穩定性和高放電電壓的金屬鋁二次電池。

背景技術

近年來，電池儲能成為人們關注的焦點，為改善鋰離子電池資源短缺、安全性差等限制性問題。發展多元化電池體系勢在必行，金屬鋁二次電池應運而生。然而，正極材料是決定金屬鋁二次電池性能的關鍵。目前，石墨和金屬基化合物等無機正極材料被廣泛研究，但存在比容量低、體積膨脹或循環穩定性差、放電電壓低等問題。與無機材料相比，有機材料具有資源豐富、結構可設計等優點。更重要的是，在充放電過程中，作為有機分子活性中心的官能團發生氧化還原反應，并與電解液中正電性鋁配離子鍵合-解離，不存在結構變化問題，同時有機分子官能團類型和數量可靈活設計，可提供高的放電電壓和比容量。因此，有機分子是一種極具潛力的正極材料，有望構建高性能金屬鋁-有機二次電池。然而，單一基團有機分子通常在電解液中溶解度高，導致循環穩定性差，溶解于電解液和低放電電壓和低容量的問題。這無疑極大制約了有機-鋁電池進一步發展。采用多基團小分子有機物，能夠有效降低與電解液中離子的結合能，相比于單一基團有機物在電解液當中化學溶解較低，因而具有更高的循環穩定性。另一方面，多基團小分子有機物通過帶有的不同基團改變了分子的能級水平，相比于單一基團能夠有效提高鋁離子的放電電壓和容量。多基團小分子有機物中相比于多苯環大分子有機材料中，其非活性單元數量占比高。因此，設計開發新型的多基團小分子有機物作為正極材料的鋁離子二次電池具有廣泛的應用前景和意義。

發明內容

針對上述研究背景，本發明提出一類多基團小分子有機物作為正極的鋁離子二次電池，其正極材料為羥基(-OH)，羧基(-COOH)，醛基(-COH)，氰基(-C≡N)，羰基(-C＝O)，硝基(-NO₂)，氨基(-NH₂)，鹵素原子(-F，-Cl,-Br,-I)作為取代基組成的小分子有機物，該有機物正極材料價廉易得，并且基于氯化鋁與無機酸鹽電解液體系存在的正電鋁配離子(AlCl₂⁺)，實現以氰基(-C≡N)和羰基(-C＝O)為電化學氧化還原位點有機物的配位-解離。能夠有效提高鋁離子電池的容量、氧化還原電勢，提升鋁離子電池的輸出電壓。另一方面，其他類型基團引入，減小有機物在電解液的溶解，能夠有效提高鋁離子電池的循環穩定性。小分子含有較少的非活性單元，從而提高活性單元的占比。為實現上述目的，本發明提供以下技術方案：

一種多基團有機小分子為正極的金屬鋁二次電池的制備方法，其特征在于，以多基團有機小分子為正極、金屬鋁或鋁合金為負極、氯化鋁與無機酸鹽為電解液；有機小分子中基團為羥基(-OH)，羧基(-COOH)，醛基(-COH)，氰基(-C≡N)，羰基(-C＝O)，硝基(-NO₂)，硫基(-S)，氨基(-NH₂)，鹵素原子(-F，-Cl,-Br,-I)中的2種或2種以上；