[发明专利]共晶溶剂电解质溶液、其制备方法和铝离子二次电池

说明书

本发明公开了共晶溶剂电解质溶液、其制备方法和铝离子二次电池，涉及电化学储能技术领域。共晶溶剂电解质溶液是通过将铝盐和氢键受体物质混合制备而得，铝盐和氢键受体物质的摩尔比为1:1‑15；其中，铝盐选自三氟甲基磺酸铝、硝酸铝、高氯酸铝和硫酸铝中的至少一种；氢键受体物质选自砜类化合物和醇类化合物中的至少一种。通过对铝盐和氢键受体物质进行筛选并控制二者用量，使制备得到的电解液具备很好的低温性能与空气稳定性，在铝基电化学储能器件有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及电化学储能技术领域，具体而言，涉及共晶溶剂电解质溶液、其制备方法和铝离子二次电池。

背景技术

多价金属离子电池体系中的铝离子电池被认为是新型储能技术领域的有力竞争者，这首先是由于铝的丰度及其安全性有望显著提高铝离子电池系统的经济和安全性。此外，金属铝可以在电化学过程交换三个电子，并因此提供约四倍于锂电池体系的体积比容量(Al:8046mAh cm^-3)。因此，铝离子电池在体积上预计比锂离子电池更小。铝的质量比容量为2980mAh g^-1，仅次于锂(3860mAh g^-1)，高于其他金属(Na，K，Mg和Ca)。相比于其他金属的电池系统，尽管铝具有比其他金属更高的氧化还原电势(相对于标准氢电极为-1.76V)，但是铝电池系统更高的体积和重量比容量无疑会产生接近甚至更高的能量密度。因此，铝离子电池由于兼具价格低廉、高安全性以及综合性能好的多重优势，有望作为当前储能电池体系的重要补充。

铝金属作为高理论能量载体，自19世纪以来，以Zn/H₂SO₄/Al电池的形态进入人们视野。然而，当铝与空气和大多数电解质接触时，致密的表面膜(Al₂O₃)阻碍了Al金属的电化学性能。与锂金属不同，通常认为铝金属上的原始氧化物表面膜不具有离子导电性，即不能用于Al³⁺迁移。另外，Al³⁺由于高的表面电荷密度，导致缓慢的化学动力学。并且，由于Al³⁺/Al(-1.68V)的标准电极电势低于H⁺/H₂，Al电极不能在普通水系电解液中进行充电。因此，在早期阶段，由于Al电极的各种限制，其仅使用于一次电池系统，诸如Al/AgO、Al/H₂O₂和Al/S电池。为了尝试以铝金属为阳极的二次电池，早期研究者们尝试使用了高温熔融盐电解质以保证铝阳极可以实现可逆的沉积/剥离行为，代表性如NaCl-AlCl₃体系，在温度高于100℃下呈现液态和较高的离子电导率。但是，该高温熔融盐苛刻的温度要求以及较多的副反应等缺点限制了其应用于可充电铝电池。1985年，研究者用离子液体替代了高温熔融盐，以确保在室温条件下，Al的可逆沉积/剥离行为可以进行。此后，以AlCl₃/[EMIm]Cl为主的离子液体逐渐被用作铝离子电池的电解液。2015年戴宏杰课题组基于AlCl₃/[EMIm]Cl离子液体电解液，开发了由石墨泡沫正极和铝负极组成的二次铝离子电池，其具有循环寿命长，优异的倍率性能以及低成本的优点，在此之后，广泛的研究已经致力于开发性能更强的二次铝离子电池，其中大量的工作主要集中在正极材料的设计与改性。众所周知，电解液作为电池的组成部分，在电化学储能装置中发挥着重要作用，其对电化学机理影响很大，在铝离子电池中也不例外。因此，寻找合适的电解质对铝离子电池至关重要。