一種復(fù)合電極構(gòu)成的高性能鋁離子電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合電極構(gòu)成的高性能鋁離子電池及其制備方法，屬于二次離子電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁電池，就是采用鋁元素作為導(dǎo)電粒子的電池。由于不存在類似鋰離子電池的爆炸等安全性問題，也沒有鎳鎘電池的重金屬污染等問題，在逐漸強(qiáng)調(diào)安全與環(huán)保的今天，鋁電池有潛力成為下一代的綠色電池。
[0003]中國(guó)專利CN104241596A提出了一種可充電鋁離子電池及其制備方法，其正極采用石墨結(jié)構(gòu)的碳材料，負(fù)極為高純鋁，電解液為無水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物的混合物。該發(fā)明采用鋁離子作為導(dǎo)電離子，避免了使用鋰離子，也由此規(guī)避了由于鋰離子引起的導(dǎo)電問題。不過該發(fā)明的電池的放電平臺(tái)在2.4V以下，比鋰離子電池的4.2V低很多，并且其循環(huán)次數(shù)低。
[0004]中國(guó)專利CN103915611A公開了一種水系鋁離子電池陽(yáng)極材料及其制備方法，該材料由二氧化鈦納米樹葉組成，二氧化鈦納米樹葉的化學(xué)組成為T1l.976(NH)Q.024，平均長(zhǎng)度為50nm，寬度為10nm，比表面積為314.2m2/g。該發(fā)明制備的電池能夠?qū)⒀h(huán)次數(shù)提高到200次，不過其充放電電壓仍然較低，在2V以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前商用的鋰離子二次電池。
[0005]中國(guó)專利CN101937994A提供了一種鋰離子電池的石墨烯/鋁復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法，所述的負(fù)極材料由石墨烯與鋁按質(zhì)量比為1:0.1?100組成，容量達(dá)600?1200mAh/g。所發(fā)明的電池在l-500mA/mg的電流密度下，充放電1-100個(gè)循環(huán)進(jìn)行熟化，熟化后得到鋰離子電池石墨烯/鋁負(fù)極材料。不過該電池的放電平臺(tái)在IV以下，遠(yuǎn)低于目前商用的鋰離子二次電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種復(fù)合電極構(gòu)成的高性能鋁離子電池及其制備方法，能夠克服當(dāng)前鋰離子電池的安全性問題，不會(huì)產(chǎn)生鋰離子二次電池的爆炸問題。
[0007]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的復(fù)合電極構(gòu)成的高性能鋁離子電池，包括正極、負(fù)極、電解液和連接所述正極及負(fù)極的隔膜，所述正極為石墨烯-鎳的復(fù)合材料，其中鎳為納米顆粒鑲嵌于石墨稀中，鎳顆粒的直徑介于0.5微米到10微米之間；所述負(fù)極為高純鋁;所述電解液為包含有A13+、C1—、[EMIm]+構(gòu)成的混合物，其中[EMIm]+與Al3+摩爾比大于3:2，小于4:1。
[0008]作為優(yōu)選，所述石墨烯-鎳的復(fù)合材料厚度為50-2000微米，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于復(fù)合材料總質(zhì)量的20 %。
[0009]作為優(yōu)選，所述高純鋁中雜質(zhì)元素的質(zhì)量含量總合小于0.1%，高純鋁厚度為0.2-2毫米。
[0010]作為優(yōu)選，所述所述隔膜的厚度為10-50微米。
[0011]—種上述的復(fù)合電極構(gòu)成的高性能鋁離子電池的制備方法，包括以下步驟:
[0012](I)將石墨粉加入裝有濃硫酸的容器中，容器置于冰浴中，攪拌均勻，再加入的高錳酸鉀粉末，石墨粉與高錳酸鉀的質(zhì)量之比為1:1.5-1:2，保持溫度20°C以下攪拌均勻，將攪拌均勻后的溶液升溫到32?38°C后持續(xù)攪拌28?32分鐘，接著每分鐘少于5毫升的向溶液中加入去離子水以及濃度為30 %的雙氧水，并把混合物升溫到95°C?100°C并持續(xù)攪拌15分鐘，直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色()；
[0013](2)在上述溶液中加入直徑介于0.5微米到10微米的鎳粉，鎳的質(zhì)量少于石墨粉的20 %，在超聲分散儀中振蕩分散，得到穩(wěn)定的分散液，然后滴加水合肼5-10毫升，滴加速度每分鐘少于5毫升，并將此溶液放入油浴中加熱到100°C后，恒溫反應(yīng)30分鐘，然后用半透膜過濾，將得到的產(chǎn)物分別用去離子水、甲醇、乙醇交替洗滌4次，最后在60°C條件下充分干燥，得到的產(chǎn)物就是石墨烯-鎳復(fù)合薄片，用作正極；
[0014](3)將[EMIm]Cl與AlCl3按一定比例混合均勻，得到電解液，其中[EMIm]+與Al3+摩爾比大于3:2，小于4:1;
[0015](3)按照石墨烯-鎳復(fù)合薄片、隔膜、高純鋁的順序排列，其中石墨烯-鎳復(fù)合薄片為正極，高純鋁為負(fù)極，注入電解液并封裝，便得到鋁離子二次電池。
[0016]鎳的加入改變了能級(jí)結(jié)構(gòu)，使充放電更容易進(jìn)行，充分發(fā)揮了石墨烯的導(dǎo)電、高比強(qiáng)度等特點(diǎn)等等，
[0017]有益效果:本發(fā)明的復(fù)合電極構(gòu)成的高性能鋁離子電池，具有較高的熱穩(wěn)定性，能夠克服當(dāng)前鋰離子電池的安全性問題，不會(huì)產(chǎn)生鋰離子二次電池的爆炸問題，并且本發(fā)明制備的電池比已報(bào)道的鋁離子二次電池的性能優(yōu)越。該電池的充放電平臺(tái)可以達(dá)到3.7V以上，循環(huán)壽命可以達(dá)到5000次以上，電池的能量密度可以達(dá)到95Wh/Kg以上。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0019]實(shí)施例1
[0020](I)將5克石墨粉加入裝有100毫升濃硫酸的容器中，容器置于冰浴中，攪拌30分鐘，此時(shí)溫度計(jì)顯示為0°C，緩慢加入9克高錳酸鉀粉末，攪拌均勻，并確保此過程中反應(yīng)體系的溫度在20°C以下，然后將攪拌均勻后的溶液升溫到35°C持續(xù)攪拌30分鐘，接著以每分鐘4毫升的向溶液中加入100毫升去離子水以及10毫升濃度為30%的雙氧水，并把混合物升溫到98°C持續(xù)攪拌15分鐘，直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色；
[0021](2)在上述溶液中加入直徑10微米的鎳粉0.1克，在超聲分散儀中振蕩分散，得到穩(wěn)定的分散液，然后滴加的水合肼5毫升，滴加速度每分鐘4毫升，并將此溶液放入油浴中加熱到100°C后，恒溫反應(yīng)30分鐘，然后用半透膜過濾，將得到的產(chǎn)物分別用去離子水、甲醇、乙醇交替洗滌4次，最后倒入5cm*2cm*5cm的模具中，在60°C條件下充分干燥，得到5cm*2cm*0.015cm尺寸的石墨烯-鎳薄片，作為電池的正極，
[0022](3)配制電解液:將[EMIm]Cl與AlCl3按4:1的比例混合均勻；
[0023](4)準(zhǔn)備PP/PE/PP隔膜，厚度為20微米；
[0024](5)準(zhǔn)備負(fù)極片，其材料為高純鋁，厚度為1.4毫米；
[0025](6)將以上材料按照石墨烯-鎳薄片、PE隔膜、高純鋁的順序排列，其中石墨烯為正極，高純鋁為負(fù)極，注入電解液并封裝，得到鋁離子二次電池；
[0026]得到的鋁離子二次電池采用Land電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試得該電池的充放電平臺(tái)為3.95V，循環(huán)8000次后，其容量損失8%，電池的能量密度達(dá)到95Wh/Kg。
[0027]實(shí)施例2
[0028](I)將5克石墨粉加入裝有100毫升濃硫酸的容器中，容器置于冰浴中，攪拌30分鐘，此時(shí)溫度計(jì)顯示為0°C，緩慢加入9克高錳酸鉀粉末，攪拌均勻，并確保此過程中反應(yīng)體系的溫度在20°C以下，然后將攪拌均勻后的溶液升溫到35°C持續(xù)攪拌30分鐘，接著以每分鐘4.5毫升的向溶液中加入100毫升去離子水以及10毫升濃度為30%的雙氧水，并把混合物升溫到98°C持續(xù)攪拌15分鐘，直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色。
[0029](2)在上述溶液中加入直徑介于0.5微米的鎳粉0.1克，在超聲分散儀中振蕩分散，得到穩(wěn)定的分散液，然后滴加的水合肼6毫升，滴加速度每分鐘4.5毫升，并將此溶液放入油浴中加熱到100°C后，恒溫反應(yīng)30分鐘，然后用半透膜過濾，將得到的產(chǎn)物分別用去離子水、甲醇、乙醇交替洗滌4次，最后倒入5Cm*2Cm*5Cm的模具中，在60°C條件下充分干燥，得到5011*2011*0.120]1尺寸的石墨稀一鎳薄片，作為電池的正極；
[0030](3)配制電解液:將[EMIm]Cl與AlCl3按3: I的比例混合均勻；
[0031](4)準(zhǔn)備PE隔膜，厚度為38微米；
[0032](5)準(zhǔn)備負(fù)極片:其材料為高純鋁，厚度為0.2毫米；
[0033](6)將以上材料按照石墨烯一鎳薄片、PE隔膜、高純鋁的順序排列，其中石墨烯為正極，高純鋁為負(fù)極，注入電解液并封裝，得到鋁離子二次電池；
[0034](7)電池測(cè)試:采用Land電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試得該電池的充放電平臺(tái)為3.9V，循環(huán)10000次后，其容量損失9%，電池的能量密度達(dá)至ljl02Wh/Kg。
[0035]實(shí)施例3
[0036](I)將5克石墨粉加入裝有100毫升濃硫酸的容器中，容器置于冰浴中，攪拌30分鐘，此時(shí)溫度計(jì)顯示為0°C，緩慢加入9克高錳酸鉀粉末，