[发明专利]多基团有机小分子为正极的金属铝二次电池的制备方法

说明书

一种多基团有机小分子为正极的金属铝二次电池的制备方法，属于电化学电池领域。有机物不同于传统的铝电池正极材料是无机物，其具有传统无机材料不具有的优点，有机物以取代基为参照，可分为单一取代基有机物和多取代基有机物。多取代基有机正极材料相对于单一取代基有机正极材料，在电解液当中具有较低的溶解度。多基团小分子有机物作为铝离子电池正极材料具有高放电平台，高容量、良好的循环稳定性的特性。具体地，通过设计，引入不同取代基改变有机分子的能级水平，从而提高铝离子电池的放电电压。另一方面多基团有机物与电解中离子的结合能低。抑制有机物在电解液中的化学溶解。有望用于设计下一代高能量密度、环境友好、可持续的铝离子储能电池当中。

技术领域

本发明涉及一种多基团有机小分子为正极的金属铝二次电池，属于电化学电池领域。具体提供一种价格低廉，简单易得，低溶解性的金属铝二次电池有机正极材料，并最终获得高能量密度、长循环稳定性和高放电电压的金属铝二次电池。

背景技术

近年来，电池储能成为人们关注的焦点，为改善锂离子电池资源短缺、安全性差等限制性问题。发展多元化电池体系势在必行，金属铝二次电池应运而生。然而，正极材料是决定金属铝二次电池性能的关键。目前，石墨和金属基化合物等无机正极材料被广泛研究，但存在比容量低、体积膨胀或循环稳定性差、放电电压低等问题。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，在充放电过程中，作为有机分子活性中心的官能团发生氧化还原反应，并与电解液中正电性铝配离子键合-解离，不存在结构变化问题，同时有机分子官能团类型和数量可灵活设计，可提供高的放电电压和比容量。因此，有机分子是一种极具潜力的正极材料，有望构建高性能金属铝-有机二次电池。然而，单一基团有机分子通常在电解液中溶解度高，导致循环稳定性差，溶解于电解液和低放电电压和低容量的问题。这无疑极大制约了有机-铝电池进一步发展。采用多基团小分子有机物，能够有效降低与电解液中离子的结合能，相比于单一基团有机物在电解液当中化学溶解较低，因而具有更高的循环稳定性。另一方面，多基团小分子有机物通过带有的不同基团改变了分子的能级水平，相比于单一基团能够有效提高铝离子的放电电压和容量。多基团小分子有机物中相比于多苯环大分子有机材料中，其非活性单元数量占比高。因此，设计开发新型的多基团小分子有机物作为正极材料的铝离子二次电池具有广泛的应用前景和意义。

发明内容

针对上述研究背景，本发明提出一类多基团小分子有机物作为正极的铝离子二次电池，其正极材料为羟基(-OH)，羧基(-COOH)，醛基(-COH)，氰基(-C≡N)，羰基(-C＝O)，硝基(-NO₂)，氨基(-NH₂)，卤素原子(-F，-Cl,-Br,-I)作为取代基组成的小分子有机物，该有机物正极材料价廉易得，并且基于氯化铝与无机酸盐电解液体系存在的正电铝配离子(AlCl₂⁺)，实现以氰基(-C≡N)和羰基(-C＝O)为电化学氧化还原位点有机物的配位-解离。能够有效提高铝离子电池的容量、氧化还原电势，提升铝离子电池的输出电压。另一方面，其他类型基团引入，减小有机物在电解液的溶解，能够有效提高铝离子电池的循环稳定性。小分子含有较少的非活性单元，从而提高活性单元的占比。为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种多基团有机小分子为正极的金属铝二次电池的制备方法，其特征在于，以多基团有机小分子为正极、金属铝或铝合金为负极、氯化铝与无机酸盐为电解液；有机小分子中基团为羟基(-OH)，羧基(-COOH)，醛基(-COH)，氰基(-C≡N)，羰基(-C＝O)，硝基(-NO₂)，硫基(-S)，氨基(-NH₂)，卤素原子(-F，-Cl,-Br,-I)中的2种或2种以上；