一種可充放電鋁離子熔鹽電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于一種可充放電鋁離子熔鹽電池及其制備方法，可用于風能、太陽能、潮汐能等可再生清潔能源的能量儲存與轉換利用。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著煤炭、石油、天然氣的不斷減少及其使用帶來的環境壓力，開發并利用清潔可再生能源成為了當前研宄的熱點。其中電能因為其處于多種能源轉換的核心階段而成為了整個可再生清潔能源發展與利用的關鍵因素。然而，要實現這些電能的高效利用，則涉及到電能的儲存問題。二次電池的可充放性是當前解決電能儲存最有效也是最有希望的方式。當前，二次電池仍然以鋰離子電池為主，鋰離子電池因為其較高的能量密度及高電壓平臺而廣泛應用于手機、電腦等電子產品以及其他便攜式電子產品上。但受全球鋰儲量的影響，要將鋰離子電池大規模應用于風能、太陽能以及潮汐能等綠色環保能源的能量轉換與儲存幾乎是不能可能完成的任務。另外，鋰離子電池因負極枝狀晶的生成所存在的安全隱患使得人們一直在尋求新的電池體系。近來，高溫熔鹽二次電池進入了人們的視線。相對于常溫離子電池，高溫熔融鹽二次電池離子迀移率快，電極極化小、有利于能量的高效率儲存與轉換。本發明采用原料廣泛且成本低廉的石墨和金屬鋁作為電池正、負極，采用含鋁離子的熔融鹵化物為電解質，可有效并大規模應用于多種可再生清潔能源的儲存于利用。
【發明內容】
[0003]本發明提供一種可用于風能、太陽能、潮汐能等可再生清潔能源的能量儲存與轉換利用的熔鹽電池，突出的充放電比容量，優異的循環性能、能量轉換效率以及較好的安全性、清潔性使得其可大規模應用于多種綠色清潔能源的高效率儲存與轉換。
[0004]為實現上述目的，本發明提供以下技術方案:
[0005]本發明提出的可充放電鋁離子熔鹽電池，其工作原理與已有的鋰離子電池、鈉離子電池以及常溫鋁離子電池的工作原理有相似之處。
[0006]一種可充放電鋁離子熔鹽電池，其特征在于包含正極、負極和含有鋁離子的熔融鹵化物混合鹽電解質及電解池裝置，其中正極石墨，負極為固態、液態金屬鋁或其合金，電解質為含有鋁離子的熔融鹵化物體系。
[0007]所述熔融鹵化物體系由堿金屬、堿土金屬氯化物、氟化物、溴化物以及碘化物中的一種或一種以上按一定比例混合而成的溫度在25-1000°C之間的熔融鹵化物體系。
[0008]所述鋁離子由以下包含但不僅限于此的含鋁鹵化物、鋁酸鹽提供，具體如:A1F3、AlCl3、AlBr3、AlI3、或 Na3AlF6等。
[0009]所述正極石墨質材料含量大于10%的碳材料，優選石墨質材料含量為50%?100%。
[0010]所述正極或固態負極形狀為片狀、長方體狀、立方體狀，圓筒狀塊體或其它具有至少一個平面的不規則塊體。
[0011]所述負極為固態、液態金屬鋁或固態、液態的鋁與金屬銅、鐵、鎳、鉛、鉍、錫、銀等形成的二元或多元合金。
[0012]所述可充放電鋁離子熔鹽電池具體制備步驟:
[0013]I)將石墨塊體與正極耐高溫導電桿采用螺紋、夾具、鉤掛、鑲嵌或耐高溫金屬絲捆綁等方式連接作為正極；
[0014]2)液態鋁或鋁合金做負極時，采用側壁絕緣，底部導通的電解池作為本發明可充放電鋁離子熔鹽電池的反應容器；
[0015]3)當液態鋁或鋁合金做負極時，取一定量的金屬鋁或鋁合金置于上述可底部導電的反應容器，并加熱至熔融，隨后冷卻于反應容器底部作為負極。當固態鋁或鋁合金做負極時，將固態鋁或鋁合金采用螺紋、夾具、鉤掛、鑲嵌或耐高溫金屬絲捆綁等方式與負極導電桿連接作為負極；
[0016]4)配制含有可自由移動的鋁離子熔融鹵化物電解質體系；
[0017]5)準備好正極、負極以及含有鋁離子的熔融鹵化物電解質體系后，組裝電池，隨后加熱至工作溫度(此時電解質呈液態)；
[0018]6)上述電解池達到工作溫度后，將正極石墨塊體浸入含有鋁離子的熔融鹵化物電解質中。同時保證正極耐高溫導電桿未浸入電解質以及正負極未發生短接。
[0019]上述可充放電鋁離子熔鹽電池制備方法步驟(I)、(3)中，所述正極、負極耐高溫導電桿為鐵、鉬、鈦、鎳、銅、鋁、鋯、鉿金屬或合金制成。
[0020]上述可充放電鋁離子熔鹽電池制備方法步驟(2)中，所述負極為液態鋁或鋁合金時，采用側壁絕緣，底部導電的電解池作為反應容器；負極為固態鋁或鋁合金時，反應容器的導電性無要求。
[0021]上述可充放電鋁離子熔鹽電池制備方法步驟(4)中，所述含有可自由移動的鋁離子熔融鹵化物電解質體系必須由純度均在99.5%以上的堿金屬、堿土金屬氟化物、氯化物、溴化物、碘化物中的一種或一種以上配合A1F3、A1C13、AlBr3,么113或Na 3A1F6等中的一種混合而成。
[0022]上述可充放電鋁離子熔鹽電池制備方法步驟(5)中，所述電池的組裝包含當負極為液態鋁或鋁合金時，將所得電解質在無氧無水環境中磨成顆粒或粉末(粒徑在0.001-50mm之間)置于底部完全覆蓋了 5-500mm厚(優選20_50mm厚)的鋁塊或鋁合金塊的底部可導電的反應容器中，電解質厚度在20-500mm之間(優選50_100mm厚)。當負極為固態鋁或鋁合金時，所得電解質在無氧無水環境中磨成顆粒或粉末(粒徑在0.001-50mm之間)置于導電無要求的反應容器中，電解質厚度在100-5000mm之間(優選1000-2000mm厚)，電池的正、負極通過正負極導電桿懸掛浸泡在電解質中。
[0023]本發明使用石墨為正極，液態、固態金屬鋁或其合金作為負極，含有鋁離子的熔融鹵化物為電解質構成了一種可充放電鋁離子熔鹽電池。本發明具有以下特點:由于正極石墨和負極鋁元素在地殼的儲量豐富，價格便宜，大大降低了電池的制備成本；石墨具備層狀結構，利于鋁元素的嵌入與脫出，同時石墨在具備優良的化學穩定性和熱穩定性可提高本發明的可充放電鋁離子熔鹽電池的循環穩定性、充放電比容量以及循環效率；熔融鹽作為電解質，導電率高，熱穩定性好，同時離子迀移率較高并具備較寬的電勢窗口，可有效降低本發明可充放電鋁離子熔鹽電池內阻，從而提高能量轉換效率。基于以上特點，本發明可充放電鋁離子熔鹽電池可安全可靠、清潔環保可大規模用于風能、太陽能、潮汐能等可再生清潔能源的能量儲存與轉換利用。
【附圖說明】
[0024]圖1為實施例1的電池示意圖；圖2為實施例2的電池示意圖；圖3為實施例3的電池示意圖；圖4為實施例4的電池示意圖.
[0025]其中編號I為正極耐高溫導電桿；2為正極石墨片；3為含鋁電解質；4為液態鋁負極；5為液態銅鋁合負極；6為負極耐高溫導電桿；7為負極固態鋁；8為負極固態銅鋁合金。
【具體實施方式】
[0026]本發明下面將通過具體實施例進行更詳細的描述，但本發明的保護范圍并不受限于這些實施例。
[0027]實施例1
[0028]取純度大于99%的石墨塊體，并將其加工為直徑1000mm，厚200mm的圓片狀塊體，并在片體的橫截面中心位置加工出深100mm，直徑10mm的螺紋，并通過螺紋連接一根直徑60mm的不銹鋼棒作為正極石墨的導電桿。砌筑內徑1200mm，深100mm的底部導電，側壁絕緣的筒狀電解池作為反應容器。在惰性氣氛保護下選取純度大于99%的鋁錠預熔于反應容器底部，形成大約10mm厚覆蓋整個反應容器底部的類圓柱狀鋁錠。以等摩爾的NaF和KF為支持電解質，并添加質量分數10%的Na3AlF6W提供鋁離子。組裝電池時，將混合均勻的電解質添加在底部覆蓋了 10mm厚鋁塊的反應容器中，電解質的