一种铝电池电解液及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于铝电池技术领域，具体涉及一种铝电池电解液及其制备方法和应用。

背景技术

电化学储能技术作为便携式电子产品、电动汽车和智能电网的重要组成部分，已得到广泛应用。在过去的二十年里，锂离子电池(LIBs)得到了前所未有的发展。然而，在追求高能量密度的同时，锂离子电池的发展也面临着锂资源匮乏的关键问题。此外，锂原料的高成本和锂枝晶的生长产生的安全问题也是亟需解决的关键问题。与此同时，研究工作从未停止探索其他新型金属离子电池作为下一代储能技术，追求容量、成本效益、可持续性、安全性和环境友好性方面的优势。

多价金属Zn

然而，在电池运行过程中，由于非平衡态热力学现象，在金属电极表面会发生持续不断的沉积和溶解。这种沉积往往是不均匀的，形成了被称为枝晶的树突状沉积金属。对于铝离子电池来说，铝箔作为负极材料，虽然表面存在一层天然氧化膜可以抑制枝晶的生长。然而，在电池充放电过程中，酸性电解液会不断腐蚀铝箔表面，导致其出现裂缝。随着铝离子从裂缝中脱嵌，导致了电流密度分布的不均匀性，从而促进了枝晶的生长。枝晶的生长会给电池带来许多危害。首先，它可能刺穿隔膜，引起正负极短路，并导致电池过热、燃烧甚至爆炸等严重事故发生。其次，过于疏松的枝晶结构会导致电极体积膨胀和表面积增大，增加金属与电解液发生的副反应，从而引起电池容量衰减和能量损失等问题。因此，控制枝晶的生长对于电池的安全性和性能至关重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铝电池电解液及其制备方法和应用，具体利用添加剂优化电极界面的铝电池电解液，本发明公开的电解液改性和优化的方法简单，改善界面效果明显，可以显著抑制枝晶地生长，并且可以改善正极和电解液之间的浸润性，其作为电解液组装的铝离子电池表现出了优异的电化学性能。

本发明旨在采用电解液优化策略，在电解液中引入添加剂，定向调节电极和电解液的界面，实现均匀沉积，抑制枝晶的生长。引入的添加剂为表面活性剂。表面活性剂同时含有亲水和疏水的官能团。在静电吸引和疏水效应的作用下，表面活性剂会在电极的表面形成吸附层，吸附层可以静电吸引更多的Al

本发明具体是通过如下技术方案来实现的。

本发明的第一个目的是提供一种铝电池电解液，所述铝电池电解液由氯铝酸离子液体电解液和添加剂制成，所述添加剂为表面活性剂，铝电池电解液中，所述表面活性剂的质量分数为0.5wt％-5wt％。

在本发明的一些实施例中，所述表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂中的一种或几种。

在本发明的一些实施例中，所述阳离子表面活性剂为胺盐型、季铵盐型、杂环型或啰盐型。

在本发明的一些实施例中，阴离子表面活性剂为烷基磺酸钠、烷基芳基磺酸钠、烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠。

在本发明的一些实施例中，所述非离子表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)、脂肪酸聚氧乙烯酯(AE)、聚氧乙烯胺、聚氧乙烯酰胺或聚丙二醇的环氧乙烷加成物(聚醚型非离子表面活性剂)。

在本发明的一些实施例中，所述电解液是指氯铝酸离子液体(包括但不限于Et

本发明的第二个目的是提供上述铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

将添加剂添加至氯铝酸离子液体电解液中，搅拌，制备铝电池电解液；

所述添加剂为表面活性剂，铝电池电解液中，所述表面活性剂的质量分数为0.5-5wt％。

在本发明的一些实施例中，S2中，搅拌时间为24h。

本发明的第三个目的是提供一种铝电池，所述铝电池的电解液为权利要求1所述的铝电池电解液。

在本发明的一些实施例中，其组装形式包括纽扣电池、索式电池和软包电池。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明在氯铝酸离子液体电解液添加表面活性剂，定向调节电极和电解液的界面，实现均匀沉积，抑制枝晶的生长，具体体现在：

(1)铝电池电解液添加剂，能够定向的调节铝电池正负极与电解液之间的界面。在静电吸引和疏水效应的作用下，表面活性剂会在铝阳极的表面形成一层均匀的吸附层。(2)表面活性剂的静电作用可以吸引阴离子的定向移动，调节AlCl

本发明采用电解液优化策略，方法简单，改善界面效果明显，可以显著抑制枝晶地生长，并且可以改善正极和电解液之间的浸润性，其作为电解液组装的铝电池表现出了优异的电化学性能。

附图说明

图1为含有添加剂的电解液组成的全电池的倍率性能图。

图2为含有添加剂的电解液组成的全电池的恒电流充放电循环图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。

在铝电池运行过程中，由于非平衡态热力学现象，在金属电极表面会发生持续不断的沉积和溶解。这种沉积往往是不均匀的，形成了被称为枝晶的树突状沉积金属。对于铝离子电池来说，铝箔作为负极材料，虽然表面存在一层天然氧化膜可以抑制枝晶的生长。然而，在电池充放电过程中，酸性电解液会不断腐蚀铝箔表面，导致其出现裂缝。随着铝离子从裂缝中脱嵌，导致了电流密度分布的不均匀性，从而促进了枝晶的生长。枝晶的生长会给电池带来许多危害。首先，它可能刺穿隔膜，引起正负极短路，并导致电池过热、燃烧甚至爆炸等严重事故发生。其次，过于疏松的枝晶结构会导致电极体积膨胀和表面积增大，增加金属与电解液发生的副反应，从而引起电池容量衰减和能量损失等问题。

为了解决上述问题，本发明在氯铝酸离子液体电解液中添加表面活性剂，定向调节电极和电解液的界面，实现均匀沉积，抑制枝晶的生长。为此，本发明提供了一种铝电池电解液，所述铝电池电解液由氯铝酸离子液体电解液和添加剂制成，所述添加剂为表面活性剂，铝电池电解液中，所述表面活性剂的质量分数为0.5wt％-5wt％。

本发明中，制备电解液的原料包括三乙胺盐酸盐、氯化铝、阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂；所述的阳离子表面活性剂包括：胺盐型、季铵盐型、杂环型、啰盐型；阴离子表面活性剂包括：烷基磺酸钠、烷基芳基磺酸钠、烷基硫酸钠、仲烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠；非离子表面活性剂包括：烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)、高碳脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)、脂肪酸聚氧乙烯酯(AE)、聚氧乙烯胺、聚氧乙烯酰胺和聚丙二醇的环氧乙烷加成物(聚醚型非离子表面活性剂)。

本发明中，氯铝酸离子液体电解液包括但不限于Et

上述铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

将添加剂添加至氯铝酸离子液体电解液中，搅拌，制备铝电池电解液。

其中，Et

将上述添加有表面活性剂的电解液用于组装铝电池。组装形式包括纽扣电池、索式电池和软包电池。

本发明提供的铝电池电解液制备方法简单，并且更重要的是，可以显著抑制枝晶地生长，并且可以改善正极和电解液之间的浸润性，其作为电解液组装的铝电池表现出了优异的电化学性能。

下面通过以下实施例和对比例对本发明的内容进行具体说明。

实施例1

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为2wt.％十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例2

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例3

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％十八烷基三甲基氯化铵(STAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例4

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％四丁基氯化铵(TBAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例5

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％十六烷苄基二甲基氯化铵(HDBAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例6

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％十二烷基苯磺酸钠LAS添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例7

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％十二烷基硫酸钠K12添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例8

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％普朗克尼P123添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例9

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％普朗克尼F127添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例10

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为0.5wt.％十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例11

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为1wt.％十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例12

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为5wt.％十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

实施例13

一种铝电池电解液的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Et

步骤2：过滤电解液。将电解液真空过滤除杂得到待需的Et

步骤3：含有添加剂的电解液的制备。称取一定量的电极液，将质量分数为0.5wt.％十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)和0.5wt.％普朗克尼P123添加到电解液中，将其搅拌24h，使其能够充分的反应与溶解，得到含有表面活性剂的电解液。

对比例1

电解液中不含有表面活性剂。

将真空热处理后的三乙胺盐酸盐在手套箱中与摩尔比例1:1.5的无水AlCl

将制备好的电解液组装成扣式电池，组装顺序如下：负极壳+垫片+负极材料(高纯铝箔)+隔膜(玻璃纤维)+电解液+正极材料(鳞片石墨)。用蓝电测试系统以及普林斯顿电化学工作站将上述组装好的器件进行恒流充放电、循环稳定性、循环伏安法以及交流阻抗的测试。

将实施例1和对比例1中制备好的电解液组装成扣式电池，组装顺序如下：负极壳+垫片+负极材料(高纯铝箔)+隔膜(玻璃纤维)+电解液+正极材料(鳞片石墨)。用蓝电测试系统以及普林斯顿电化学工作站将上述组装好的器件进行恒流充放电、循环稳定性、循环伏安法以及交流阻抗的测试。

测试结果如下：

对比例1中的纯Et

由于引入了CTAC添加剂，在0.5Ag

此外，图2显示了全电池在0.5Ag

实施例2-实施例13中，采用了不同的表面活性剂或改变表面活性剂用量，表面活性剂能够定向的调节正负极与电解液之间的界面。在静电吸引和疏水效应的作用下，表面活性剂会在铝阳极的表面形成一层均匀的吸附层，静电作用可以吸引阴离子的定向移动，调节AlCl

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。