一種高性能鋁離子電池及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高性能鋁離子電池及制備方法，屬于離子電池領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，筆記本電腦、手機等工具中大量使用的都是液體電解質(zhì)的鋰離子二次電池。然而，由于液體電解質(zhì)需要包裝在密封的金屬殼中，在某些不當(dāng)使用的情況下，例如電池在高溫環(huán)境下工作時外部熱量通過金屬外殼傳遞到電池內(nèi)部，或者放電電流較大時電池內(nèi)部放熱，電池內(nèi)部或外部會過熱而使電池內(nèi)壓大幅度增加，因而由于液體電解質(zhì)熱不穩(wěn)定而使電池發(fā)生爆炸，因此使用液體電解質(zhì)的鋰離子二次電池存在安全隱患，限制了液體電解質(zhì)鋰離子二次電池的進一步發(fā)展，因此提高鋰離子電池安全性是研發(fā)鋰離子二次電池的關(guān)鍵。
[0003]中國專利CN103915611A公開了一種水系鋁離子電池陽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，遠遠低于目前商用的鋰離子二次電池。
[0004]中國專利CN101937994A提供了一種鋰離子電池的石墨烯/鋁復(fù)合負極材料及其制備方法，所述的負極材料由石墨烯與鋁按質(zhì)量比為1:0.1?100組成，容量達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個循環(huán)進行熟化，熟化后得到鋰離子電池石墨烯/鋁負極材料。不過該電池的放電平臺在IV以下，遠低于目前商用的鋰離子二次電池。
[0005]中國專利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。
[0006]CN104183824A公開了一種二次鋁電池正極材料以及由該正極組成的二次鋁電池。所述二次鋁電池包括正極、含鋁負極和非水電解液。正極材料為石墨烯/醌類化合物的復(fù)合材料，其中醌類化合物為醌及相應(yīng)的衍生物中的任一種，負極為金屬鋁或鋁合金，電解液為非水含鋁電解液。該電池采用鋁離子導(dǎo)電，不過其充放電電壓不超過2V，循環(huán)50次后容量衰減嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種高性能鋁離子電池及制備方法，能夠克服當(dāng)前鋰離子電池的安全性問題，不會產(chǎn)生鋰離子二次電池的爆炸問題。
[0008]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種高性能鋁離子電池，包括正極、負極、電解液和連接所述正極及負極的隔膜，所述正極為石墨烯-鎳的復(fù)合材料，其中鎳為納米級顆粒鑲嵌于石墨烯中，鎳顆粒的直徑介于0.5微米到10微米之間；所述負極為鋁錳合金，其中Mn的質(zhì)量占鋁錳合金總質(zhì)量的3-8%;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。
[0009]作為優(yōu)選，所述石墨烯的厚度為50-2000微米，鎳厚度為0.5-5毫米，鎳的質(zhì)量為復(fù)合材料總量在的1-20 %。
[0010]作為優(yōu)選，所述鋁錳合金中錳、鋁以外的其他雜質(zhì)元素的質(zhì)量含量總合小于0.1%,鋁錳合金厚度為0.2-2毫米。
[0011]作為優(yōu)選，所述隔膜的厚度為10-50微米。
[0012]—種如上述的高性能鋁離子電池的制備方法，包括以下步驟:
[0013](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35°C持續(xù)攪拌30分鐘，接著滴加速度小于5毫升/分鐘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98°C持續(xù)攪拌15分鐘，直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色；
[0014](2)在上述溶液中加入直徑介于0.5微米到10微米的鎳粉，鎳粉的質(zhì)量少于石墨粉的I / 5，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毫升并均勾攪拌，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；
[0015](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;
[0016](4)按照石墨烯-鎳復(fù)合薄片、隔膜、鋁錳合金的順序排列，其中石墨烯-鎳為正極，鋁錳合金為負極，注入電解液并封裝，便得到高性能鋁離子電池。
[0017]有益效果:本發(fā)明的高性能鋁離子電池，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道的鋁離子二次電池的性能優(yōu)越。該電池的充放電平臺可以達到3.5V以上，循環(huán)壽命可以達到5000次以上，電池的能量密度可以達到90Wh/Kg以上。
【具體實施方式】
[0018](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，此時溫度計顯示為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，接著緩慢的向溶液中加入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；
[0019](2)在上述溶液中加入直徑0.9微米的鎳粉I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，滴加時均勻攪拌，并將此溶液放入油浴中加熱到1001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*0.093cm尺寸的石墨烯一鎳薄片，作為電池的正極；
[0020](3)配制電解液:將[EMIm]Cl與AlCl3按4: I的比例混合均勻；
[0021](4)準(zhǔn)備PP/PE/PP隔膜，厚度為50微米；
[0022](5)準(zhǔn)備負極片:其材料為鋁錳合金，其中錳的質(zhì)量含量為3%，厚度為0.4毫米；
[0023](6)將以上材料按照石墨烯一鎳薄片、PE隔膜、鋁錳合金的順序排列，其中石墨烯為正極，鋁錳合金為負極，注入電解液并封裝，得到鋁離子二次電池；
[0024](7)電池測試:采用Land電化學(xué)測試系統(tǒng)，測試得該電池的充放電平臺為3.5V，循環(huán)8000次后，其容量損失6%，電池的能量密度為102Wh/Kg。
[0025]實施例2
[0026](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，此時溫度計顯示為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，接著緩慢的向溶液中加入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；
[0027](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8毫升，滴加時均勻攪拌，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*0.005cm尺寸的石墨稀一鎳薄片，作為電池的正極；
[0028](3)配制電解液:將[EMIm]Cl與AlCl3按2: I的比例混合均勻；
[0029](4)準(zhǔn)備PE隔膜，厚度為38微米；
[0030](5)準(zhǔn)備負極片:其材料為鋁錳合金，其中錳的質(zhì)量含量為5.3%，厚度為2毫米；
[0031](6)將以上材料按照石墨烯一鎳薄片、PE隔膜、鋁錳合金的順序排列，其中石墨烯為正極，鋁錳合金為負極，注入電解液并封裝，得到鋁離子二次電池；
[0032](7)電池測試:采用Land電化學(xué)測試系統(tǒng)，測試得該電池的充放電平臺為3.8V，循環(huán)10000次后，其容量損失9%，電池的能量密度達至ljl05Wh/Kg。
[0033]實施例3
[0034](I)將