CN108899482B - 铝离子电池及其正极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新型电池领域，公开了一种铝离子电池及其正极材料，该正极材料为石墨层间化合物，由宿主材料和插层材料以摩尔比为0.1~10：1组成，所述宿主材料为石墨质材料，所述插层材料为能够进入到所述石墨质材料的石墨层SP2杂化轨道且区别于C原子的物质。与现有技术相比，本发明中的正极材料中，插层物质可有效扩大石墨质材料的石墨层间距，使得该正极材料中可以储存更多的铝离子，制备得到的铝离子电池在质量容量和体积容量上均有大幅提升。

Description

铝离子电池及其正极材料
技术领域
本发明涉及新型电池领域，特别涉及一种铝离子电池及其正极材料。
背景技术
目前，全世界对储能技术的研究热点都集中在高容量，高功率和低成本的电池，并利用地球丰富且环境友好的元素。大量的试验研究试图引入优化轻质金属例如金属铝和金属镁，以便降低整个储能***重量和提高其能量密度。基于这种观点，在过去几年中对开发基于铝负极的电池的研究越来越多。铝是地壳中最丰富的金属元素，也是第三丰富的元素。铝相对于其他常见的化学电源用金属材料（锂和钠），有着明显的价格优势。在能量密度和充电性能方面，铝的质量比容量非常接近于锂（Al 2.98Ah g-1 对比 Li 3.86Ah g-1）。然而，Al的体积比容量为8.04 Ah cm-3，比锂的体积容量大约3倍。铝的比能量仅次于金属锂，但它具有最高的体积能量密度，这使得它有利于为体积受限***供电。
可充电铝离子电池目前已经得到开发，2015年斯坦福大学戴宏杰团队研发的“一分钟充满电”的新型铝离子电池，在《nature》杂志上发表，该电池正极采用热解石墨或泡沫石墨、负极采用金属铝、隔膜采用玻璃纤维、电解质采用1-乙基-3甲基咪唑，制备的电化学器件具有长寿命、可快速充电、低成本、安全性能好、不易燃等优点。该文献中采用的正极材料容量约为66 mA h/g（电流密度40000mA/g），放电平台约为1.5v，能量密度与铅酸电池相当；功率密度达3kW/kg，与超级电容器功率相当。由于热解石墨和泡沫石墨不仅制备工艺复杂，且成本高昂，生产出的活性材料由于密度低等原因，大大影响正极面密度，进而影响器件的能量密度，因此不是工业生产的最优选择。
2017年浙江大学高超团队报道了一种利用石墨烯作为铝离子电池正极的文献，此种正极材料容量达100 mA h/g（5000 mA /g），该电池能量密度约60wh/kg，功率密度30kW/kg。并且，该课题组在文献（A Defect-Free Principle for Advanced Graphene Cathodeof Aluminum-Ion Battery. Adv Mater 2017,29 (12).）中提出将石墨烯经高温处理后，减少原有结构缺陷，可大幅提升石墨烯作为铝离子电池正极材料的电池容量。但是，从石墨烯出发制备铝离子电池正极的最大缺点是工艺复杂，原材料成本高昂，因此开发出一种适合工业化应用的材料是当务之急。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种铝离子电池及其正极材料，该正极材料中，插层物质可有效扩大石墨质材料的石墨层间距，使得该正极材料中可以储存更多的铝离子，制备得到的铝离子电池在质量容量和体积容量上均有大幅提升。
技术方案：本发明提供了一种铝离子电池的正极材料，该正极材料为石墨层间化合物，由宿主材料和插层材料以摩尔比为0.1~10：1组成，所述宿主材料为石墨质材料，所述插层材料为能够进入到所述石墨质材料的石墨层SP2杂化轨道且区别于C原子的物质。
优选地，所述插层材料为以下任意一种或其组合：金属元素、卤族元素、金属氯化物、酸。
优选地，所述金属元素为K或Na；所述卤族元素为F或Br；所述金属氯化物为FeCl3或AlCl3；所述酸为硫酸或硝酸。
优选地，所述石墨质材料为以下任意一种或其组合：天然鳞片石墨、天然隐晶石墨、人造石墨、膨胀石墨、石墨化的碳材料。
优选地，该正极材料的制备方法为气相恒压反应法、混合法、浸渍法或电化学法。
本发明还提供了一种铝离子电池，该铝离子电池的正极由上述铝离子电池正极材料制作而成，负极为铝箔或铝片，电解质为氯化铝与1-乙基-3甲基咪唑氯的混合物，集流体为钛、钽、钼、铌、镍、金或铂族金属，所述正极与所述负极之间的隔膜为玻璃纤维。
优选地，所述电解质中，所述氯化铝与1-乙基-3甲基咪唑氯的摩尔比为1.2~1.5：1。
有益效果：本发明通过在石墨质材料的石墨层SP2杂化轨道内层***不同的插层材料以形成石墨层间化合物——正极材料，使得正极材料中石墨质材料的石墨层间距扩张，远大于原有的0.3354nm，并且形成一阶、二阶或者多阶混合物，使该正极材料中可以储存更多的铝离子，使用这种正极材料制备得到的铝离子电池在质量容量和体积容量上均有大幅提升。
附图说明
图1为实施例1中天然鳞片石墨经无水氯化铁插层处理后的X射线衍射图。
图2为实施例1中制备的软包装铝离子电池的首次充放电图。
图3为实施例1中制备的软包装铝离子电池的循环性能图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种铝离子电池的正极材料，该正极材料为石墨层间化合物，由宿主材料——天然鳞片石墨和插层材料——无水氯化铁以摩尔比为3：1组成。
上述正极材料的制备方法如下：
在手套箱中称取1g天然鳞片石墨，4.5g无水氯化铁充分混合（天然鳞片石墨与无水氯化铁的摩尔比为3:1），将混合物置于石英管中100℃真空干燥6小时以上，然后将石英管放入马弗炉中500℃处理2小时；所得粉末用去离子水清洗后在烘箱中80℃干燥6小时，得上述正极材料，如图1。
使用上述正极材料制备铝离子电池的方法如下：
将上述正极材料与聚偏氟乙烯(浓度5%，溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮)按照质量比为9:1混合成粘稠状，涂覆于0.1mm厚的镍片上，80℃真空烘干过夜，将此作为铝离子电池的正极。负极采用99.7%的铝片，隔膜采用whatman玻璃纤维，将氯化铝与1-乙基-3甲基咪唑氯的混合物作为电解质。
上述电解质的制备方法如下：在充满高纯氩气的手套箱(氩气纯度≥99.9％，氧含量<5 ppm，水分含量<5 ppm)中，将无水氯化铝（AlCl3，99.99％）缓慢加入到1-乙基-3-甲基-咪唑氯化物（EMICI）中，同时连续搅拌，以避免由放热反应引起的咪唑阳离子分解；然后将混合物在室温下搅拌24小时。其中，AlCl3与EMICI的摩尔比为1.5:1。
将正极/隔膜/负极顺序组装成软包装电池后，再拿入手套箱中进行注液、封边，得铝离子电池。
使用新威电池测试***测试，对上述组装好的软包装铝离子电池进行恒电流充放电试验（电压范围：0.5V-2.5V，电流密度100 mA /g），此种正极材料首次放电比容量110mAh/g，如图2；100次循环后放电比容量保持106mA h/g，如图3。
实施方式2：
本实施方式提供了一种铝离子电池的正极材料，该正极材料为石墨层间化合物，由宿主材料——人造石墨和插层材料——无水氯化铝以摩尔比为1:1.35组成。
上述正极材料的制备方法如下：
在手套箱中称取1g人造石墨，10g无水氯化铝充分混合（人造石墨与无水氯化铝的摩尔比为1:1.35），将混合物置于石英管中100℃真空干燥6小时以上，然后将石英管放入马弗炉中250℃处理2小时；所得粉末用去离子水清洗后在烘箱中80℃干燥6小时，得上述正极材料。
使用上述正极材料制备铝离子电池的方法如下：
将上述正极材料与聚偏氟乙烯(浓度5%，溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮)按照质量比为9:1混合成粘稠状，涂覆于0.1mm厚的镍片上，80℃真空烘干过夜，将此作为铝离子电池的正极。负极采用99.7%的铝片，隔膜采用whatman玻璃纤维，将氯化铝与1-乙基-3甲基咪唑氯的混合物作为电解质。
上述电解质的制备方法如下：在充满高纯氩气的手套箱(氩气纯度≥99.9％，氧含量<5 ppm，水分含量<5 ppm)中，将无水氯化铝（AlCl3，99.99％）缓慢加入到1-乙基-3-甲基-咪唑氯化物（EMICI）中，同时连续搅拌，以避免由放热反应引起的咪唑阳离子分解；然后将混合物在室温下搅拌24小时。其中，AlCl3与EMICI的摩尔比为1.2:1。
将正极/隔膜/负极顺序组装成软包装电池后，再拿入手套箱中进行注液、封边，得铝离子电池。
使用新威电池测试***测试，对上述组装好的软包装铝离子电池进行恒电流充放电试验（电压范围：0.5V-2.5V，电流密度100 mA /g），此种正极材料首次放电比容量80mAh/g；100次循环后放电比容量保持68mA h/g。
实施方式3：
本实施方式提供了一种铝离子电池的正极材料，该正极材料为石墨层间化合物，由宿主材料——人造石墨和插层材料——氟气组成。
上述正极材料的制备方法如下：
称取1g人造石墨放入石英管中，100℃真空干燥6小时，通入氩气将管中空气清除干净后，持续通入氟气后升温至600℃保温3小时；所得粉末用去离子水清洗，在烘箱中80℃干燥6小时，得上述正极材料。
使用上述正极材料制备铝离子电池的方法如下：
将上述正极材料与聚偏氟乙烯(浓度5%，溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮)按照质量比为9:1混合成粘稠状，涂覆于0.1mm厚的镍片上，80℃真空烘干过夜，将此作为铝离子电池的正极。负极采用99.7%的铝片，隔膜采用whatman玻璃纤维，将氯化铝与1-乙基-3甲基咪唑氯的混合物作为电解质。
上述电解质的制备方法如下：在充满高纯氩气的手套箱(氩气纯度≥99.9％，氧含量<5 ppm，水分含量<5 ppm)中，将无水氯化铝（AlCl3，99.99％）缓慢加入到1-乙基-3-甲基-咪唑氯化物（EMICI）中，同时连续搅拌，以避免由放热反应引起的咪唑阳离子分解；然后将混合物在室温下搅拌24小时。其中，AlCl3与EMICI的摩尔比为1.2:1。
将正极/隔膜/负极顺序组装成软包装电池后，再拿入手套箱中进行注液、封边，得铝离子电池。
使用新威电池测试***测试，对上述组装好的软包装铝离子电池进行恒电流充放电试验（电压范围：0.5V-2.5V，电流密度100 mA /g），此种正极材料首次放电比容量67mAh/g；50次循环后放电比容量保持60mA h/g。
上述各实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种铝离子电池的正极材料，其特征在于，该正极材料为石墨层间化合物，由宿主材料和插层材料以摩尔比为0.1~10：1组成，所述宿主材料为石墨质材料，所述插层材料为能够进入到所述石墨质材料的石墨层SP2杂化轨道且区别于C原子的物质；
所述插层材料为以下任意一种或其组合：卤族元素、酸；
所述卤族元素为F或Br；
所述酸为硫酸或硝酸。
2.根据权利要求1所述的铝离子电池的正极材料，其特征在于，所述石墨质材料为以下任意一种或其组合：
天然鳞片石墨、天然隐晶石墨、人造石墨、膨胀石墨、石墨化的碳材料。
3.根据权利要求1所述铝离子电池的正极材料，其特征在于，该正极材料的制备方法为气相恒压反应法、混合法、浸渍法或电化学法。
4.一种铝离子电池，其特征在于，该铝离子电池的正极由权利要求1至3中任一项所述的铝离子电池的正极材料制作而成，负极为铝箔或铝片，电解质为氯化铝与1-乙基-3甲基咪唑氯的混合物，集流体为钛、钽、钼、铌、镍、金或铂族金属，所述正极与所述负极之间的隔膜为玻璃纤维。
5.根据权利要求4所述铝离子电池，其特征在于，所述电解质中，所述氯化铝与1-乙基-3甲基咪唑氯的摩尔比为1.2~1.5：1。
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