[发明专利]一种金属铝-氰基有机物二次电池的制备方法

说明书

一种金属铝‑氰基有机物二次电池的制备方法，属于电化学电池领域。包含氰基(‑C≡N)有机物正极、铝/铝合金负极、氯化铝与无机酸盐电解液以及视情况而选的隔膜。有机物正极材料以氰基基团为电化学氧化还原活性位点，放电时，正极有机物被还原为负电性氰基有机分子，并与电解液中解离出的正电性铝配离子(如AlCl₂⁺)键合，充电时，两者发生可逆解离，负电性氰基有机分子被重新氧化为电中性氰基有机分子。金属铝‑氰基有机物电池放电和充电电压范围分别为0.8～2.0V和1.0～2.2V。本发明采用的氰基有机正极具有输出电压高和比容量高的优点，且分子可设计，廉价易得。基于该有机正极的金属铝二次电池具有较高的能量密度和倍率性能，有望成为下一代高性能、低成本先进储能二次电池。

技术领域

本发明涉及一种金属铝-氰基有机物二次电池，属于电化学电池领域。具体提供一类价格低廉、简单易得、环保的氰基有机正极，并最终获得一种高能量密度、长循环稳定性的金属铝-氰基有机物二次电池。

背景技术

近年来，随着煤炭、石油、天然气的不断减少及其使用带来的环境压力，开发并利用清洁可再生能源成为了当前研究的热点。考虑到可再生能源的波动性、间歇性、周期性等特点，电能的存储极为关键。由于铝资源丰富、价格低、安全性高，可再充电金属铝二次电池被认为是大规模储能的理想载体。高能量密度和优异稳定性的金属铝二次电池成为储能领域的热点。正极材料是决定金属铝电池性能的关键。目前，广泛研究的金属铝电池正极材料主要为无机材料，如石墨和金属基化合物(CuS、CoS、Ni₂S、CuP)。然而，石墨正极容量低，离子嵌入/脱出动力学缓慢，体积膨胀大，造成结构破坏，电池容量低。金属化合物正极放电电压低，特别是在离子液体电解液中极易溶解腐蚀，循环稳定性差，此外，金属化合物合成过程复杂，原材料昂贵，难以应用大规模的储能电池当中。

与无机材料相比，有机材料具有资源丰富、结构可设计等优点。更重要的是，有机材料的分子间弱的相互作用，充放电过程，材料的体积和结构变化不明显，有益于提高电池的循环使用寿命。因此，有机物是一种具有应用潜力的金属铝二次电池正极材料。到目前为止，以有机物作为正极的金属铝二次电池相对较少，研究者仅发现含羰基(-C＝O)有机物可作为金属铝电池的正极材料，然而其真实容量较低(Nature Energy,2019,4(1):51-59)。因此，设计开发新型有机正极材料以构建高性能金属铝-有机二次电池，具有十分重要的现实意义和应用潜力。

发明内容

针对上述研究背景，本发明提出一种金属铝-氰基有机物二次电池，即以含氰基(-C≡N)有机物为正极材料，氰基基团为电化学氧化还原活性位点，放电时，还原态负电性氰基有机分子与电解液中解离出的正电性铝配离子(AlCl₂⁺、AlCl²⁺或Al³⁺)键合，充电时，两者发生可逆解离，负电性氰基有机分子被重新氧化为电中性氰基有机分子。金属铝-氰基有机二次电池比容量和放电电压高，可提升金属铝电池能量密度。为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种金属铝-氰基有机物二次电池，其特征在于，以氰基(-C≡N)有机物为正极材料，金属铝或铝合金为负极，氯化铝-无机酸盐为电解液。有机物中氰基基团数量为1～6。氰基有机物、导电添加剂和粘合剂在溶剂中分散均匀，涂覆于导电集流体上，在60～100℃和真空压力为1Pa～100Pa下，干燥制成正极电极膜，并与负极以隔膜分隔，注入电解液，组装得到金属铝-氰基有机物二次电池。放电时，正极有机物被还原为负电性氰基有机分子，并与电解液中解离出的正电性铝配离子(AlCl₂⁺、AlCl²⁺或Al³⁺)键合，充电时，负电性氰基有机分子与正电性铝配离子解离，并被重新氧化为电中性有机物。金属铝-氰基有机物电池放电和充电电压范围分别为0.8-2.0V和1.0-2.2V，充放电电流密度范围0.01-10A g^-1，比容量50-300mAh g^-1。