[發明專利]共晶溶劑電解質溶液、其制備方法和鋁離子二次電池

在審

• 申請號: 202210393900.1
• 申請日: 2022-04-14
• 公開（公告）號: CN114784384A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 付超鵬;蒙鵬宇;張佼
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M10/0569
• 分類號: H01M10/0569;H01M10/054;H01M10/058
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 黃燕

本發明公開了共晶溶劑電解質溶液、其制備方法和鋁離子二次電池，涉及電化學儲能技術領域。共晶溶劑電解質溶液是通過將鋁鹽和氫鍵受體物質混合制備而得，鋁鹽和氫鍵受體物質的摩爾比為1:1?15；其中，鋁鹽選自三氟甲基磺酸鋁、硝酸鋁、高氯酸鋁和硫酸鋁中的至少一種；氫鍵受體物質選自砜類化合物和醇類化合物中的至少一種。通過對鋁鹽和氫鍵受體物質進行篩選并控制二者用量，使制備得到的電解液具備很好的低溫性能與空氣穩定性，在鋁基電化學儲能器件有巨大的應用潛力。

技術領域

本發明涉及電化學儲能技術領域，具體而言，涉及共晶溶劑電解質溶液、其制備方法和鋁離子二次電池。

背景技術

多價金屬離子電池體系中的鋁離子電池被認為是新型儲能技術領域的有力競爭者，這首先是由于鋁的豐度及其安全性有望顯著提高鋁離子電池系統的經濟和安全性。此外，金屬鋁可以在電化學過程交換三個電子，并因此提供約四倍于鋰電池體系的體積比容量(Al:8046mAh cm^-3)。因此，鋁離子電池在體積上預計比鋰離子電池更小。鋁的質量比容量為2980mAh g^-1，僅次于鋰(3860mAh g^-1)，高于其他金屬(Na，K，Mg和Ca)。相比于其他金屬的電池系統，盡管鋁具有比其他金屬更高的氧化還原電勢(相對于標準氫電極為-1.76V)，但是鋁電池系統更高的體積和重量比容量無疑會產生接近甚至更高的能量密度。因此，鋁離子電池由于兼具價格低廉、高安全性以及綜合性能好的多重優勢，有望作為當前儲能電池體系的重要補充。

鋁金屬作為高理論能量載體，自19世紀以來，以Zn/H₂SO₄/Al電池的形態進入人們視野。然而，當鋁與空氣和大多數電解質接觸時，致密的表面膜(Al₂O₃)阻礙了Al金屬的電化學性能。與鋰金屬不同，通常認為鋁金屬上的原始氧化物表面膜不具有離子導電性，即不能用于Al³⁺遷移。另外，Al³⁺由于高的表面電荷密度，導致緩慢的化學動力學。并且，由于Al³⁺/Al(-1.68V)的標準電極電勢低于H⁺/H₂，Al電極不能在普通水系電解液中進行充電。因此，在早期階段，由于Al電極的各種限制，其僅使用于一次電池系統，諸如Al/AgO、Al/H₂O₂和Al/S電池。為了嘗試以鋁金屬為陽極的二次電池，早期研究者們嘗試使用了高溫熔融鹽電解質以保證鋁陽極可以實現可逆的沉積/剝離行為，代表性如NaCl-AlCl₃體系，在溫度高于100℃下呈現液態和較高的離子電導率。但是，該高溫熔融鹽苛刻的溫度要求以及較多的副反應等缺點限制了其應用于可充電鋁電池。1985年，研究者用離子液體替代了高溫熔融鹽，以確保在室溫條件下，Al的可逆沉積/剝離行為可以進行。此后，以AlCl₃/[EMIm]Cl為主的離子液體逐漸被用作鋁離子電池的電解液。2015年戴宏杰課題組基于AlCl₃/[EMIm]Cl離子液體電解液，開發了由石墨泡沫正極和鋁負極組成的二次鋁離子電池，其具有循環壽命長，優異的倍率性能以及低成本的優點，在此之后，廣泛的研究已經致力于開發性能更強的二次鋁離子電池，其中大量的工作主要集中在正極材料的設計與改性。眾所周知，電解液作為電池的組成部分，在電化學儲能裝置中發揮著重要作用，其對電化學機理影響很大，在鋁離子電池中也不例外。因此，尋找合適的電解質對鋁離子電池至關重要。