CN108550903A - 一种铝离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝离子电池，以多孔石墨烯膜为正极材料，所述多孔石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构；气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。石墨烯膜经过3000度处理，没有缺陷，层间AB结构完美堆叠，因而具有极好的导电性(0.8‑1.2MS/m)；层间气孔结构以及气壁上多孔结构，使得电解质交换迅速，因而组装电池具有较高的电池容量和库伦效率。

Description

一种铝离子电池
技术领域
本发明涉及一种铝离子电池。
背景技术
铝离子电池因其铝金属负极具有超高的比容量、低成本以及安全性的优点而成为非常有希望的下一代能量储存方式。然而寻找一种具有较高容量、高放电平台及高倍率性能的正极材料一直是铝离子电池研究的主要方向。
石墨烯是一种厚度只有0.34nm的超薄二维纳米材料，具有超高的导电性以及载流子迁移率，在各种电池材料领域具有极大的应用价值。石墨烯通过自组装可获得连续且自支撑的石墨烯宏观体材料，从而可获得比石墨材料更好的电化学性能。例如申请公布号为CN104241596A的中国发明专利(申请公布号2014年12月24日)公开了一种正极材料使用石墨的可充电铝离子电池及其制备方法，由于石墨的高堆叠结构这种可充电铝离子电池的高倍率性能就受到了限制。
氧化石墨烯是石墨烯材料的一种重要原料，产量高成本低，具备非常好的工业化前景，然而目前大规模制备氧化石墨烯的方法主要是通过氧化法，会对石墨烯的结构进行破坏进而降低其导电率及电化学性能，而没有缺陷的高导电石墨烯主要以气相沉积法获得，无法大规模生产。
一般认为,在锂离子电池中碳材料的设计思路都基于提高碳材料的缺陷以提高电极材料中离子的迁移速度,及增加活性物质的负载量。因此,提高碳材料的缺陷浓度来提高电池的性能是本领域技术人员的重点研究方向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，克服本领域的技术偏见，提供一种铝离子电池。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种铝离子电池，以多孔石墨烯膜为正极材料，所述多孔石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构；气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。
进一步地，所述石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数不大于20000层。
进一步地，通过以下方法制备得到：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为5-10mg/mL氧化石墨烯水溶液，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度不大于20微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为1-2摄氏度每分钟，温度为1300-1800摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10-20摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，2-5摄氏度每分钟。
进一步地，所述石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数2×104～10×104之间。
进一步地，所述石墨烯膜通过以下方法制备得到：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为5-10mg/mL氧化石墨烯水溶液，加入水溶性盐，得到成膜前驱体溶液，其中盐的含量为氧化石墨烯质量的1～5％；或采用硝酸刻蚀氧化石墨烯，然后配置成5-10mg/mL的成膜前驱体溶液；将成膜前驱体溶液刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为20-100微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为1-2摄氏度每分钟，温度为1300-1800摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10-20摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，2-5摄氏度每分钟。
进一步地，所述盐选自：镁盐、钙盐、钛盐、硅盐、硼盐、铁盐、铝盐、锌盐、铜盐、镍盐等等。
进一步地，所述电池负极为铝金属或铝合金；隔膜选自玻璃纤维、聚丙烯隔膜、聚四氟乙烯隔膜或聚乙烯隔膜。
本发明的有益效果在于：本发明通过高温缺陷扩展，制备了石墨烯独特的多维气孔结构：石墨烯膜经过3000度处理，没有缺陷，层间AB结构完美堆叠，在薄膜高度取向连续的情况下，具有极好的导电性(0.8-1.2MS/m)，充放电效率高，放电电压高；层间气孔结构以及气壁上多孔结构，通道多，离子传输快，使得电解质交换迅速，因而组装电池具有较高的库伦效率性能；纳米级的孔道又不会造成密度降低太多，负载量大，电池容量高。
附图说明
图1为实施例1制备的多孔石墨烯薄膜的电镜图，b图为a图的局部放大；
图2为实施例2制备的多孔石墨烯薄膜的电镜图，b图为a图的局部放大；
图3为实施例4制备的多孔石墨烯厚膜的电镜图，b图为a图的局部放大；
图4和5是实施例1制备的铝离子电池在在50C恒流充放电条件下的循环性能曲线，其中图4为电容保持率曲线，图5为库伦效率曲线。
具体实施方式
实施例1
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为10mg/mL氧化石墨烯水溶液，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为20微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为2摄氏度每分钟，温度为1800摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜，如图1所示。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，20摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，5摄氏度每分钟。从图1可以看出，石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构，气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。将其压实后，经螺旋测微器测厚度，计算出该石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数为19100～19600层之间。
(4)将步骤3制备得到的石墨烯膜作为正极，铝箔为负极，离子液体为电解质，玻璃纤维为隔膜，组装成铝离子电池；图4是该铝离子电池在在50C恒流充放电条件下的循环性能曲线。从图中可以看出，该电池可在超高的电流密度100mAh/g下保持的稳定比容量持续25000圈，库伦效率保持在95以上。
实施例2
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为5mg/mL氧化石墨烯水溶液，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为5微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为1摄氏度每分钟，温度为1300摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜，如图2所示。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，2摄氏度每分钟。从图2可以看出，石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构，气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。将其压实后，经螺旋测微器测厚度，计算出该石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数为4700～5000层之间。
(4)将步骤3制备得到的石墨烯膜作为正极，铝箔为负极，离子液体为电解质，玻璃纤维为隔膜，组装成铝离子电池；该电池可在超高的电流密度100mAh/g下保持的稳定比容量持续25000圈，库伦效率保持在95以上。
实施例3
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为8mg/mL氧化石墨烯水溶液，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为1微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为1摄氏度每分钟，温度为1500摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，5摄氏度每分钟。制备得到的石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构，气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。将其压实后，经螺旋测微器测厚度，计算出该石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数为1000层左右。
(4)将步骤3制备得到的石墨烯膜作为正极，铝箔为负极，离子液体为电解质，玻璃纤维为隔膜，组装成铝离子电池；该电池可在超高的电流密度100mAh/g下保持的稳定比容量持续25000圈，库伦效率保持在95以上。
实施例4
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为10mg/mL氧化石墨烯水溶液，加入硫酸锌，硫酸锌的含量为氧化石墨烯质量的5％，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为100微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为2摄氏度每分钟，温度为1800摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜，如图3所示。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，20摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，5摄氏度每分钟。从图3可以看出，石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构，气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。将其压实后，经螺旋测微器测厚度，计算出该石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数为100000层左右。
(4)将步骤3制备得到的石墨烯膜作为正极，铝箔为负极，离子液体为电解质，玻璃纤维为隔膜，组装成铝离子电池；该电池可在超高的电流密度100mAh/g下保持的稳定比容量持续25000圈，库伦效率保持在95以上。
实施例5
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为5mg/mL氧化石墨烯水溶液，加入氯化镁，氯化镁的含量为氧化石墨烯质量的1％，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为20微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为1摄氏度每分钟，温度为1300摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，2摄氏度每分钟。制备得到的石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构，气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。将其压实后，经螺旋测微器测厚度，计算出该石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数为20000层左右。
(4)将步骤3制备得到的石墨烯膜作为正极，铝箔为负极，离子液体为电解质，玻璃纤维为隔膜，组装成铝离子电池；该电池可在超高的电流密度100mAh/g下保持的稳定比容量持续25000圈，库伦效率保持在95以上。
实施例6
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为8mg/mL氧化石墨烯水溶液，加入氯化镍，氯化镍的含量为氧化石墨烯质量的2％，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为80微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为2摄氏度每分钟，温度为1600摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，20摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，5摄氏度每分钟。制备得到的石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构，气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。将其压实后，经螺旋测微器测厚度，计算出该石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数为80000层左右。
(4)将步骤3制备得到的石墨烯膜作为正极，铝箔为负极，离子液体为电解质，玻璃纤维为隔膜，组装成铝离子电池；该电池可在超高的电流密度100mAh/g下保持的稳定比容量持续25000圈，库伦效率保持在95以上。
实施例7
(1)采用硝酸刻蚀氧化石墨烯，然后配置成7mg/mL的成膜前驱体溶液；将成膜前驱体溶液刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为40微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为2摄氏度每分钟，温度为1300摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，5摄氏度每分钟。
(4)将步骤3制备得到的石墨烯膜作为正极，铝箔为负极，离子液体为电解质，玻璃纤维为隔膜，组装成铝离子电池；该电池可在超高的电流密度100mAh/g下保持的稳定比容量持续20000圈，库伦效率保持在95以上。

Claims (7)

1.一种铝离子电池，其特征在于，以多孔石墨烯膜为正极材料，所述多孔石墨烯膜内部具有均匀的气泡结构；气泡壁具有均匀的通气孔，孔径为100～150nm，孔隙率大于5％。
2.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，所述多孔石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数不大于20000层。
3.根据权利要求2所述的铝离子电池，其特征在于，多孔石墨烯膜通过以下方法制备得到：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为5-10mg/mL氧化石墨烯水溶液，刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度不大于20微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为1-2摄氏度每分钟，温度为1300-1800摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10-20摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，2-5摄氏度每分钟。
4.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，所述多孔石墨烯膜厚度方向的石墨烯层数2×104～10×104之间。
5.根据权利要求4所述的铝离子电池，其特征在于，所述多孔石墨烯膜通过以下方法制备得到：
(1)将氧化石墨烯配制成浓度为5-10mg/mL氧化石墨烯水溶液，加入水溶性盐，得到成膜前驱体溶液，其中盐的含量为氧化石墨烯质量的1～5％；或采用硝酸刻蚀氧化石墨烯，然后配置成5-10mg/mL的成膜前驱体溶液；将成膜前驱体溶液刮刀涂覆成膜，自然晾干，膜的厚度为20-100微米。
(2)氧化石墨烯膜置于中温炉中缓慢升温烧结，升温速率为1-2摄氏度每分钟，温度为1300-1800摄氏度。
(3)将中温烧结过的石墨烯膜置于高温炉中3000度退火，得到具有二级气孔结构的石墨烯膜。高温炉的升温速率如下：2000摄氏度以下，10-20摄氏度每分钟；2000摄氏度以上，2-5摄氏度每分钟。
6.根据权利要求5所述的铝离子电池，其特征在于，所述盐选自：镁盐、钙盐、钛盐、硅盐、硼盐、铁盐、铝盐、锌盐、铜盐、镍盐等等。
7.根据权利要求1所述的铝离子电池，其特征在于，所述电池负极为铝金属或铝合金；隔膜选自玻璃纤维、聚丙烯隔膜、聚四氟乙烯隔膜或聚乙烯隔膜。
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