[发明专利]可充电式铝离子电池

说明书

本申请涉及可充电式铝离子电池。本发明公开了使用铝盐溶液作为电解质的可充电电池，以及该电池的制造方法和该电池的使用方法。

本申请是申请日为2016年10月11日、申请号为201680071655.5、发明名称为“可充电式铝离子电池”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及使用包含铝离子的电荷载流子的可充电电池，特别是有毒组分减少的电池，以最小化人类健康危害和环境损害。

背景技术

随着对从可再生能源例如风能和太阳能发电的兴趣增加，鉴定可行的电池存储系统已变得越来越重要。例如，铅酸电池由于它们的低成本(约$100-$150/kWh)而成为最广泛用于电网储存的电池技术。但是，铅酸电池基于放电深度低(50-75％)而具有比较低的重量能量密度(30-50Wh/kg)，并且循环寿命差，在500至1000次充电/放电循环之间。另外，铅酸电池由于存在硫酸和有毒的铅组分而具有与处理和处置相关的重大安全问题。在暴露于铅酸蓄电池的不安全处理和处置的工作人员和儿童中铅中毒和酸相关伤害增加的报告，引起了对大规模实施铅酸电池作为可再生能源发电蓄电器的强烈担忧。

对没有铅酸电池的环境和健康风险的经济的蓄电替代品的寻找尚不成功。一种替代品，钠离子电池，估计到2020年价格将达到约$250/kWh，但钠离子电池技术的体积能量密度低于铅酸电池，小于约30Wh/L。

另一种替代品，钒氧化还原液流电池，提供高容量、长放电时间和高循环寿命，但重量和体积能量密度相对较低，并且由于钒和其他组分的高成本而价格昂贵。另一方面，液体金属电池是基于两种不混溶的熔盐电解质之间的离子交换，但是必须在高达450℃的高温下运行，依靠复杂的铅-锑-锂复合物进行离子交换，并且这样的系统具有易燃和毒性问题。

发明内容

本发明公开了使用包含铝离子的电解质的可充电电池，以及所述电池的制造方法和所述电池的使用方法。

在某些实施方式中，本发明公开了一种电池，其包括包含铝、铝合金或铝化合物的负极、正极、包含防止负极和正极直接接触的电绝缘材料的多孔隔膜、以及包含铝盐溶液的电解质，其中所述电解质与负极和正极电接触。在优选的实施方式中，所述电池是可充电电池，即二次电池。

在某些实施方式中，负极是包含铝和选自锰、镁、锂、氧化锆、铁、钴、钨、钒、镍、铜、硅、铬、钛、锡和锌的至少一种元素的铝合金。在某些实施方式中，负极是已接受处理的铝，所述处理有效增加与所述电解质接触的负极表面的亲水性。在某些实施方式中，所述表面处理包含使铝的表面与碱金属氢氧化物水溶液接触的步骤。通常，所述碱金属氢氧化物选自氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾及其混合物。在某些实施方式中，负极是铝金属箔或铝合金箔。

在某些实施方式中，负极是铝化合物，其选自：铝过渡金属氧化物(Al_xM_yO_z，其中M是选自铁、钒、钛、钼、铜、镍、锌、钨、锰、铬、钴及其混合物的过渡金属，并且x、y和z的范围为0至8，包括0和8在内)；铝过渡金属硫化物，(Al_xM_yS_z，其中M是选自铁、钒、钛、钼、铜、镍、锌、钨、锰、铬、钴及其混合物的过渡金属，并且x、y和z的范围为0至8，包括0和8在内)；铝锂钴氧化物(AlLi₃CoO₂)；氢化铝锂(LiAlH₄)；氢化铝钠(NaAlH₄)；氟化铝钾(KAlF₄)；及其混合物。

在某些实施方式中，电解质是选自硝酸铝、硫酸铝、磷酸铝、六水合溴化铝、氟化铝、三水合氟化铝、六水合碘化铝、高氯酸铝、氢氧化铝及其组合的铝盐的水溶液。在某些实施方式中，所述铝盐的摩尔浓度范围为0.05M至5M，水的浓度范围为5重量％至95重量％。