CN105406112A - 一种铝电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝电池及制备方法，该铝电池包括正极、负极、电解液和连接所述正极及负极的隔膜，所述正极为石墨烯与镍构成的复合片，由两层组成，一层为镍，另一层为石墨烯；所述负极为铝锰合金，其中Mn的质量占铝锰合金总质量的3-8％；所述电解液为包含有Al3+、Cl-、[EMIm]+构成的混合物，其中[EMIm]+与Al3+摩尔比大于3：2，小于4：1。本发明的铝电池，有较高的热稳定性，能够克服当前锂离子电池的安全性问题，不会产生锂离子二次电池的爆炸问题，并且本发明制备的电池比已报道的铝离子二次电池的性能优越。该电池的充放电平台可以达到3.5V以上，循环寿命可以达到5000次以上，电池的能量密度可以达到90Wh/Kg以上。

Description

一种铝电池及制备方法
技术领域
本发明涉及铝电池及制备方法，属于离子电池领域。
背景技术
目前的便携式电子设备中大量使用二次电池，一般为液体电解质的锂离子二次电池，这是由于锂离子电池的容量大、放电平台高，而且没有记忆效应。然而，由于液体电解质需要包装在密封的金属壳中，在某些不当使用的情况下，锂离子电池会存在安全隐患。例如电池在高温环境下工作时外部热量通过金属外壳传递到电池内部，或者放电电流较大时电池内部放热，电池内部或外部会过热而使电池内压大幅度增加，因而由于液体电解质热不稳定而使电池发生爆炸，因此使用液体电解质的锂离子二次电池存在安全隐患，限制了液体电解质锂离子二次电池的进一步发展。人们开始研究不采用锂离子，而是采用其他比较安全的离子作为导电离子，例如铝离子。
CN104183824A公开了一种二次铝电池正极材料以及由该正极组成的二次铝电池。所述二次铝电池包括正极、含铝负极和非水电解液。正极材料为石墨烯/醌类化合物的复合材料，其中醌类化合物为醌及相应的衍生物中的任一种，负极为金属铝或铝合金，电解液为非水含铝电解液。该电池采用铝离子导电，不过其充放电电压不超过2V，循环50次后容量衰减严重。
中国专利CN103915611A公开了一种水系铝离子电池阳极材料及其制备方法，该材料由二氧化钛纳米树叶组成，二氧化钛纳米树叶的化学组成为TiO1.976(NH)0.024，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2/g。该发明制备的电池能够将循环次数提高到200次，不过其充放电电压仍然较低，在2V以下，远远低于目前商用的锂离子二次电池。
中国专利CN103825045公开了一种铝离子电池及其制备方法，此铝离子电池的正极为过渡族金属氧化物、负极为高纯铝；该发明提高了电池的安全性能。不过该电池的放电电压低于1伏，也远低于目前商用的锂离子二次电池，因此很难取代目前锂离子二次电池在手机、电动车等领域的应用。
中国专利CN101937994A提供了一种锂离子电池的石墨烯/铝复合负极材料及其制备方法，所述的负极材料由石墨烯与铝按质量比为1∶0.1～100组成，容量达600～1200mAh/g。所发明的电池在1-500mA/mg的电流密度下，充放电1-100个循环进行熟化，熟化后得到锂离子电池石墨烯/铝负极材料。不过该电池的放电平台在1V以下，远低于目前商用的锂离子二次电池。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种铝电池及制备方法，采用铝离子作为导电离子，排除电池中存在的锂元素，不会产生锂离子二次电池的爆炸问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种铝电池，包括正极、负极、电解液和连接所述正极及负极的隔膜，所述正极为石墨烯与镍构成的复合片，由两层组成，一层为镍，另一层为石墨烯；所述负极为铝锰合金，其中Mn的质量占铝锰合金总质量的3-8％；所述电解液为包含有Al3+、Cl-、[EMIm]+构成的混合物，其中[EMIm]+与Al3+摩尔比大于3：2，小于4：1。
作为优选，所述石墨烯的厚度为50-2000微米，镍厚度为0.5-5毫米。
作为优选，所述铝锰合金中锰、铝以外的其他杂质元素的质量含量总合小于0.1％，铝锰合金厚度为0.2-2毫米。
作为优选，所述隔膜的厚度为10-50微米。
所述镍为多孔镍，孔径1微米以下，使用多孔结构，能够大大增大比表面积，增加容量与充放电速度。
一种上述的铝电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用厚度为0.1-5毫米的多孔镍为基底，采用化学气相沉积(CVD)法在多孔镍上生长一层石墨烯，沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，沉积温度为900～1000℃，降温的速度为15℃/s，由此制备得到镍-石墨烯复合片，作为电池的正极，控制沉积条件使得石墨烯的厚度为50-2000微米；
(2)将[EMIm]Cl与AlCl3按一定比例混合均匀，得到电解液，其中[EMIm]+与Al3+摩尔比大于3：2，小于4：1；
(3)按照石墨烯与镍复合片、隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中石墨烯与镍为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，便得到铝电池。
本发明的电解液采用了[EMIm]+与Al3+两种离子，对于单一铝离子而言，能够提高电池的循环寿命、放电电压等性能。
有益效果：本发明的铝电池，有较高的热稳定性，能够克服当前锂离子电池的安全性问题，不会产生锂离子二次电池的爆炸问题，并且本发明制备的电池比已报道的铝离子二次电池的性能优越。该电池的充放电平台可以达到3.5V以上，循环寿命可以达到5000次以上，电池的能量密度可以达到90Wh/Kg以上。
具体实施方式
实施例1
(1)利用厚度为1.1毫米的多孔镍为基底，采用化学气相沉积(CVD)法在多孔镍上生长一层石墨烯，沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，沉积温度为960℃，沉积3.8小时后降温，降温的速度为15℃/s，由此制备得到镍-石墨烯复合片，作为电池的正极，测量石墨烯的厚度为187微米；
(2)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按4：1的比例混合均匀；
(3)准备PP隔膜，厚度为10微米；
(4)准备负极片：其材料为铝锰合金，其中锰的质量含量为7％，厚度为0.4毫米。
(5)将以上材料按照镍-石墨烯复合片、PE隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中镍-石墨烯复合片为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，得到铝电池；
(6)电池测试：采用Land电化学测试系统，测试得该电池的充放电平台为3.5V，循环8000次后，其容量损失6％，电池的能量密度达到103Wh/Kg。
实施例2
(1)利用厚度为5毫米的多孔镍为基底，采用化学气相沉积(CVD)法在多孔镍上生长一层石墨烯，沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，沉积温度为1000℃，沉积1小时后降温，降温的速度为15℃/s，由此制备得到镍-石墨烯复合片，作为电池的正极，测量石墨烯的厚度为53微米；
(2)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按5：2的比例混合均匀；
(3)准备PE隔膜，厚度为18微米；
(4)准备负极片：其材料为铝锰合金，其中锰的质量含量为6％，厚度为0.2毫米；
(5)将以上材料按照镍-石墨烯复合片、PE隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中镍-石墨烯复合片为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，得到铝离子二次电池。
(6)电池测试：采用Land电化学测试系统，测试得该电池的充放电平台为4.05V，循环8000次后，其容量损失8％，电池的能量密度达到96Wh/Kg。
实施例3
(1)利用厚度为0.1毫米的多孔镍为基底，采用化学气相沉积(CVD)法在多孔镍上生长一层石墨烯，沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，沉积温度为980℃，沉积2小时后降温，降温的速度为15℃/s，由此制备得到镍-石墨烯复合片，作为电池的正极。测量石墨烯的厚度为103微米；
(2)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按3：2的比例混合均匀；
(3)准备PP/PE/PP隔膜，厚度为20微米；
(4)准备负极片：其材料为铝锰合金，其中锰的质量含量为8％，厚度为0.5毫米；
(5)将以上材料按照镍-石墨烯复合片、PE隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中镍-石墨烯复合片为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，得到铝电池；
(6)电池测试：采用Land电化学测试系统，测试得该电池的充放电平台为3.9V，循环8000次后，其容量损失7％，电池的能量密度达到102Wh/Kg。
实施例4
(1)利用厚度为3毫米的多孔镍为基底，采用化学气相沉积(CVD)法在多孔镍上生长一层石墨烯，沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，沉积温度为900℃，沉积8.6小时后降温，降温的速度为15℃/s，由此制备得到镍-石墨烯复合片，作为电池的正极。测量石墨烯的厚度为1913微米；
(2)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按3：1的比例混合均匀；
(3)准备PP/PE/PP隔膜，厚度为50微米；
(4)准备负极片：其材料为铝锰合金，其中锰的质量含量为5.6％，厚度为0.2毫米；
(5)将以上材料按照镍-石墨烯复合片、PE隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中镍-石墨烯复合片为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，得到铝电池；
(6)电池测试：采用Land电化学测试系统，测试得该电池的充放电平台为3.9V，循环8000次后，其容量损失7％，电池的能量密度为99Wh/Kg。
实施例5
(1)利用厚度为0.4毫米的多孔镍为基底，采用化学气相沉积(CVD)法在多孔镍上生长一层石墨烯。沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，沉积温度为920℃，沉积2小时后降温。降温的速度为15℃/s。由此制备得到镍-石墨烯复合片，作为电池的正极，测量石墨烯的厚度为109微米；
(2)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按7：2的比例混合均匀；
(3)准备PE隔膜，厚度为38微米；
(4)准备负极片：其材料为铝锰合金，其中锰的质量含量为5％，厚度为2毫米；
(5)将以上材料按照镍-石墨烯复合片、PE隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中镍-石墨烯复合片为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，得到铝离子二次电池；
(6)电池测试：采用Land电化学测试系统，测试得该电池的充放电平台为3.85V，循环8000次后，其容量损失8％，电池的能量密度达到101Wh/Kg。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铝电池，其特征在于：包括正极、负极、电解液和连接所述正极及负极的隔膜，所述正极为石墨烯与镍构成的复合片，由两层组成，一层为镍，另一层为石墨烯；所述负极为铝锰合金，其中Mn的质量占铝锰合金总质量的3-8％；所述电解液为包含有Al3+、Cl-、[EMIm]+构成的混合物，其中[EMIm]+与Al3+摩尔比大于3：2，小于4：1。
2.根据权利要求1所述的铝电池，其特征在于：所述石墨烯的厚度为50-2000微米，镍厚度为0.5-5毫米。
3.根据权利要求2所述的铝电池，其特征在于：所述铝锰合金中锰、铝以外的其他杂质元素的质量含量总合小于0.1％，铝锰合金厚度为0.2-2毫米。
4.根据权利要求3所述的铝电池，其特征在于：所述隔膜的厚度为10-50微米。
5.根据权利要求4所述的铝电池，其特征在于：所述镍为多孔镍，孔径1微米以下。
6.一种权利5所述的铝电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用厚度为0.1-5毫米的多孔镍为基底，采用化学气相沉积法在多孔镍上生长一层石墨烯，沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，沉积温度为900～1000℃，降温的速度为15℃/s，由此制备得到镍-石墨烯复合片，作为电池的正极，控制沉积条件使得石墨烯的厚度为50-2000微米；
(2)将[EMIm]Cl与AlCl3按一定比例混合均匀，得到电解液，其中[EMIm]+与Al3+摩尔比大于3：2，小于4：1；
(3)按照石墨烯与镍复合片、隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中石墨烯与镍为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，便得到铝电池。
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