本發(fā)明涉及鋁離子電池，尤其是涉及一種cu2-xs-碳基復合材料及使用該材料做正極的鋁離子電池。

背景技術(shù)：

在20世紀末，鋰離子電池出現(xiàn)，并被證明是一種有效的能量儲存系統(tǒng)，因為它能量密度高、循環(huán)壽命長、工作電勢高。然而，鋰資源的分布不均以及大量消耗導致鋰金屬價格不斷上漲，外加近些年來關(guān)于有機型鋰離子電池事故的報道屢見不鮮。這都促使人們研發(fā)更便宜、更安全以及更高能量密度的能量儲存系統(tǒng)。

近年來，以鋁離子電池為代表的多價離子電池廣受關(guān)注。鋁資源豐富，是地殼中儲量最豐富的金屬。再者，可充放電鋁離子電池擁有很高的理論比容量(2980mahg^-1,8063mahcm^-3)。外加鋁離子電池還有可彎折性強、對環(huán)境友好、安全性高等優(yōu)點，因此對于未來的可穿戴設(shè)備電池，易發(fā)生碰撞危險易燃易爆的汽車電池，大規(guī)模智能電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域，鋁離子電池都有極大的應用前景和應用價值。然而，在之前的報道中，鋁離子電池的研究遇到了不少問題，比如正極材料分解、電池電壓低、循環(huán)性能差、電解液選擇困難等，這些都亟待解決。當然，這些文章也介紹了一系列新型的鋁離子電池電極材料，比如v2o5(文獻:wang,h.etal.binder-freev2o5cathodeforgreenerrechargeablealuminumbattery[j].acsappliedmaterials&interfaces,2015)、tio2(文獻:he,y.etal.blackmesoporousanatasetio2nanoleaves:ahighcapacityandhighrateanodeforaqueousal-ionbatteries[j].j.mater.chem.a,2014)等，但這些材料的放電比容量低且循環(huán)性能不理想，遠不能達到商業(yè)化鋁離子電池電極材料的要求，因此，開發(fā)高比容量、高循環(huán)穩(wěn)定性的鋁離子電池正極材料顯得尤為重要。

迄今為止尚未報道過關(guān)于cu2-xs-碳基復合材料作為正極及用這種正極的鋁離子電池。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種硫銅化合物碳基復合材料為正極的鋁離子電池。

本發(fā)明包括電池正極、電池負極、電解液、金屬箔片集流體和隔膜；所述電池正極的活性物質(zhì)為cu2-xs-碳基復合材料，電池負極為金屬鋁或含鋁合金；所述電解液為含鋁離子非水系電解液；所述金屬箔片集流體為在電解液中表現(xiàn)電化學惰性的金屬箔片集流體；所述隔膜為分隔電池正極和電池負極的隔膜。

所述cu2-xs選自cu2s、cu1.96s、cu1.8s、cu1.75s、cu1.6s、cu1.39s、cu1.12s、cu0.5s等中的一種，所述cu2-xs-碳基復合材料中碳含量的質(zhì)量百分比為0.1％～20％。

所述cu2-xs-碳基復合材料的制備方法如下：將cu2-xs溶于水中，再加入碳源，復合后得cu2-xs-碳基復合材料。

所述碳源可選自無定形碳、結(jié)晶碳、導電有機碳材料等中的至少一種。

所述cu2-xs-碳基復合的方法可采用水熱法、溶膠凝膠法、高溫煅燒法、噴霧干燥法等中的一種或兩種。

所述電池負極材料可采用純度大于90％的金屬鋁、或金屬鋁與銅、銀、鎳、鉛、錫、鉍、鐵等中的合金。

所述含鋁離子非水系電解液包括鹵化鋁和離子液體，所述鹵化鋁和離子液體的摩爾比可為(1.1～2)︰1。

所述離子液體的陰離子包括cl^-，br^-，i^-，pf6^-，bf6^-，cn^-，scn^-，[n(cf3so2)2]^-或[n(cn)2]^-等離子；陽離子包括咪唑鎓離子、吡啶鎓離子、吡咯鎓離子、哌啶鎓離子、嗎啉鎓離子、季銨鹽離子、季磷鹽離子或叔硫鹽離子等。

所述電化學惰性的金屬箔片集流體包括鉭片、鈮片、鉬片、鈦片、不銹鋼片、金及鉑族金屬。

所述分隔電池正極和電述負極的隔膜材料包括但不限于：聚烯烴類，所述聚烯烴類可選自聚乙烯和聚丙烯、玻璃纖維濾紙和陶瓷材料。

所述硫銅化合物碳基復合材料為正極的鋁離子電池的制備方法包括以下步驟：

1)將cu2-xs-碳基復合材料、導電材料、粘結(jié)劑按照比例分別稱取均勻混合，制成活性材料漿料均勻地涂抹在惰性金屬集流體上，在60～100℃烘箱中烘干，制成厚度為0.5～2mm片狀復合正極材料；

2)將厚度為0.1～1mm的金屬鋁或鋁合金，用細砂紙打磨雙面，用無水乙醇清洗后，干燥，即得到負極材料；

3)將離子液體在真空干燥箱80～150℃下干燥12h，隨后鹵化鋁和離子液體以摩爾比為(1.1～2)︰1在氬氣環(huán)境的手套箱內(nèi)混合，室溫磁力攪拌0.5h，即配制成含有可自由移動鋁離子的非水溶液電解液；

4)將步驟1)得到電池正極材料、步驟2)得到的電池負極材料、步驟3)得到的含鋁離子非水溶液電解液、隔膜在手套箱中組裝完成，得到鋁離子軟包電池或者扣式電池，即cu2-xs-碳基復合材料為正極的鋁離子電池；

5)電池組裝好后，靜置12～20h后再進行充放電測試。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：使用cu2-xs-碳基復合材料作為正極材料，高純鋁或含鋁合金作為負極材料，構(gòu)成了一種可充放電的鋁離子電池。由于本發(fā)明對正負極材料、隔膜、集流體以及電解液等通過實驗研究進行了精細的選擇，并結(jié)合上述所提到的制備方法，所以本發(fā)明可總結(jié)出如下特點：提出了一種新型多價離子電池，即鋁離子電池體系；鋁資源儲量豐富，每年開采量是鋰的1000多倍，價格低廉，大大降低了電池的制備成本；cu2-xs-碳基復合材料易于合成，成本低廉，且對環(huán)境友好，故在電化學儲能領(lǐng)域有極大的應用前景；離子液體作為一種新型的鋁離子電池電解液，具有電化學窗口寬、離子電導率高、無可燃性等優(yōu)點；本發(fā)明所提供的鋁離子電池具有比容量高、制備工藝簡單、原材料便宜且對環(huán)境友好等優(yōu)點，其首圈放電比容量高達140mahg^-1，電化學曲線顯示有兩對充放電平臺，與循環(huán)伏安曲線中兩對還原氧化峰對應，說明在al的嵌入過程中發(fā)生了兩步反應。本發(fā)明的鋁離子電池可應用于如便攜式電子設(shè)備、電動汽車、大型儲能電站多種領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制備的鋁離子電池第一圈和第二圈的充放電測試曲線。

圖2為本發(fā)明實施例1制備的鋁離子電池前五圈的循環(huán)伏安測試曲線。

具體實施方式

本發(fā)明下面將通過具體實施例進行更詳細的描述。

【實施例1】

將1g的cu2s溶于50ml水，加入2g的葡萄糖，轉(zhuǎn)移至100ml水熱釜中，反應24h，再在500℃高溫下煅燒10h，得到cu2s-碳基復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質(zhì)量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調(diào)漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。由圖1可知，采用cu2s-碳基復合材料為正極的鋁離子電池其首圈放電比容量為140mahg^-1，該材料具有兩對清晰的放電平臺和充電平臺。從圖2的循環(huán)伏安圖也可看出，其電化學過程包括兩對可逆的還原氧化峰，分別對應于電化學曲線中的兩對放電平臺和充電平臺，說明在al的嵌入過程中發(fā)生了兩步反應。

【實施例2】

將1g的cu2s溶于50ml水，加入2g的蔗糖，轉(zhuǎn)移至100ml水熱釜中，反應24h，再在500℃高溫下煅燒10h，得到cu2s-碳基復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質(zhì)量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調(diào)漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。

【實施例3】

將1g的cu2s溶于50ml水，加入2g的尿素，轉(zhuǎn)移至100ml水熱釜中，反應24h，再在500℃高溫下煅燒10h，得到cu2s-碳基復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質(zhì)量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調(diào)漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。

【實施例4】

將1g的cu2s溶于50ml水，加入2g的石墨烯，轉(zhuǎn)移至100ml水熱釜中，反應24h，再在500℃高溫下煅燒10h，得到cu2s-碳基復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質(zhì)量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調(diào)漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。

【實施例5】

將1g的cu2s溶于50ml水，加入2g的碳納米纖維，轉(zhuǎn)移至100ml水熱釜中，反應24h，再在500℃高溫下煅燒10h，得到cu2s-碳基復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結(jié)劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質(zhì)量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調(diào)漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。

本發(fā)明所提供的鋁離子電池具有比容量高、制備工藝簡單、原材料便宜且對環(huán)境友好等優(yōu)點，其首圈放電比容量高達140mahg^-1，具有兩對清晰的充放電平臺，與循環(huán)伏安曲線中兩對還原氧化峰對應，說明在al的嵌入過程中發(fā)生了兩步反應。本發(fā)明的鋁離子電池可應用于如便攜式電子設(shè)備、電動汽車、大型儲能電站多種領(lǐng)域。