[发明专利]一种水系含铝离子电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种水系铝离子电池及其制备方法。该水系铝离子电池是由正极、负极、铝离子水系电解液和连接正极和负极的隔膜组成。该电池的制备是以CuS为电池正极材料，铜箔为负极，隔膜为GF/D玻璃纤维隔膜，其特点是电解液采用LiAlCu水系电解液，该电解液中阳离子为Al³⁺、Li⁺和Cu⁺，阴离子为Cl^‑；且Al³⁺：Li⁺：Cu⁺摩尔比为1：2～15：0.03～1，Cl^‑浓度为7～15mol/kg。该电池具有比容量高、循环稳定性好、低成本且对环境友好等优点。该电池可用于电子通讯、电动汽车等多领域，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及铝离子电池领域，具体涉及一种水系铝离子电池。

背景技术

过去的几十年里，化石燃料的使用和消耗所导致的温室气体的大量排放和空气污染问题引起了人们广泛的关注。为此，人们开始探索可持续的清洁能源，例如：太阳能、风能、潮汐能等。但是这些能源在时间和空间上分布不均，因此需要发展新型高效的能量存储设备配合使用。在所有储能器件中，锂离子电池应用最广泛，然而，锂电池还面临一系列问题，除锂枝晶带来的安全隐患、电极材料在充放电过程中的体积膨胀等技术问题，含锂矿物的稀缺和锂化合物的昂贵价格也是限制锂电池应用的重要因素。因此，基于不易燃的水系电解质的电池和诸多采用地壳丰度较高的金属元素(如钠、镁、钾、钙、锌和铝等)的电池体系也日益受到研究者们的关注。其中，金属铝有着仅次于锂的理论质量比容量(Al:2980mAh/g；Li:3860mAh/g)和近4倍于锂的体积比容量(Al:8040mAh/cm³；Li:2062mAh/cm³)，并且铝元素在地壳中的元素丰度高居第三(仅次于氧和硅)，来源广泛、成本低廉，同时铝可在空气中加工，有着更加可靠的安全性，因此铝离子电池(AIB)有望成为下一代实用型的电池体系。

AIB研究中最广泛应用的电解质为氯化铝和氯化1-乙基-3-甲基咪唑(EMIM⁺Cl^-)配制成的室温离子液体，近来也有采用以尿素与氯化铝配制的类离子液体为电解质的AIB被报道，离子液体与这些离子液体或类离子液体均依靠络离子AlCl₄^-来实现铝元素在电解质中的转移。然而离子液体成本较高，尿素基的类离子液体有着较窄的稳定电化学窗口，并且室温下，离子液体或类离子液体的粘度均较高，难以实现离子的快速迁移，因此离子电导率较低，目前这些问题限制了非水系AIB的进一步发展。相对地，水溶液往往有着较高的离子迁移率和离子电导率，此外水系电解质具有不可燃性、低成本和环境友好的特点。因此利用水系离子在电极材料中进行嵌入/脱出的储能机理，并采用水系电解液，对于实现可再生能源大规模储能具有重要的战略意义。

近年来，基于“盐包水”(WiS，Water-in-Salt)电解质的水系电池逐渐崭露头角，文献1，Nat.Commun.2019,10,73、文献2，ACS Appl Mater Interfaces,2019,11,41356-41362中将高浓度三氟甲磺酸铝(Al(OTF)₃)作为WiS电解质用于水系AIB中，取得了一定的成果，然而三氟甲磺酸铝昂贵的价格阻碍了其应用进展。

基于水系电解质的铝离子电池，一般用金属铝作为负极，但金属铝在水系电解质中的沉积/溶解过程可逆性较低，因而一些有储铝性能的材料，如文献3，Journal ofMaterials Che mistry A,2014,2,1721-1731，文献4，Dalton Trans,2019,48,6337-6340，文献5，J Pow er Sources,2019,413,134-138中的TiO₂、WO₃、MoO₃等也被用于构建电池负极，但这类负极材料的容量和循环稳定性往往不尽人意。铜(Cu)金属具有大自然含量丰富、价格低廉以及Cu在电子氧化还原中的理论容量为844.3mAh g^-1的优点，因此铜(Cu)成为电池的候选负极。