CN105449270A - 一种含石墨烯电极的二次离子电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含石墨烯电极的二次离子电池及制备方法，该电池包括正极、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；所述负极为铝硅合金，其中硅的质量含量为5-8％；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，且小于4：1。本发明的含石墨烯电极的二次离子电池，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

一种含石墨烯电极的二次离子电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种含石墨烯电极的二次离子电池及其制备方法，属于二次电池领域。
背景技术
自从上个世纪九十年代以来，锂离子二次电池便开始应用于人们的生活中。由于锂离子电池比镍镉电池容量大、电压高、能量密度高，环保，因而逐步取代了镍镉电池的市场。目前锂离子电池已经成功应用于笔记本电脑、手机等日常用品中，以及各种军事设备中。然而，锂离子电池的缺点是其电解液耐高温性能差、金属锂与高温会爆炸。因此，在一些使用不当的情况下，锂离子电池会发生爆炸，从而引起事故。如何提高锂离子电池安全性，已成为研发锂离子二次电池的关键。
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CN104241596A提出了一种可充电铝离子电池及其制备方法，其正极采用石墨结构的碳材料，负极为高纯铝，电解液为无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物的混合物。该发明采用铝离子作为导电离子，避免了使用锂离子，也由此规避了由于锂离子引起的导电问题。不过该发明的电池的放电平台在2.4V以下，比锂离子电池的4.2V低很多，并且其循环次数低。
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。
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。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种含石墨烯电极的二次离子电池及制备方法，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：为实现上述目的，本发明的含石墨烯电极的二次离子电池，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；所述负极为铝硅合金，其中硅的质量含量为5-8％；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，且小于4：1。
作为优选，所述负极除铝硅之外的其他元素的质量含量总合小于0.1％，铝硅合金的厚度为0.2-2毫米。
作为优选，所述隔膜的厚度为10-50微米。
作为优选，所述石墨烯的厚度为50-2000微米。
一种上述的含石墨烯电极的二次离子电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨粉加入装有浓硫酸的容器中，容器置于冰浴中，搅拌均匀，再加入的高锰酸钾粉末，石墨粉与高锰酸钾的质量之比为1:1.5-1:2，保持温度20℃以下搅拌均匀，将搅拌均匀后的溶液升温到35℃持续搅拌30分钟，接着滴加速度小于5毫升/分钟的向溶液中加入去离子水以及浓度为30％的双氧水，并把混合物升温到98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
(2)将上述溶液在超声分散仪中振荡分散，得到稳定的分散液，然后滴加水合肼5-10毫升，滴加速度小于5毫升/分钟，并将此溶液放入油浴中加热到100℃后，恒温反应30分钟，然后用半透膜过滤，将得到的产物分别用去离子水、甲醇、乙醇交替洗涤4次，最后在60℃条件下充分干燥，得到的产物就是石墨烯，作为电池的正极；
(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、隔膜、铝硅合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝硅合金为负极，注入电解液并封装，便得到铝电池。
有益效果：本发明的含石墨烯电极的二次离子电池，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)将5克石墨粉加入装有100毫升浓硫酸的容器中，容器置于冰浴中，搅拌30分钟，此时温度计显示为0℃，缓慢加入9克高锰酸钾粉末，搅拌均匀，并确保此过程中反应体系的温度在20℃以下，然后将搅拌均匀后的溶液升温到35℃持续搅拌30分钟，接着4毫升/分钟的向溶液中加入100毫升去离子水以及10毫升浓度为30％的双氧水，并把混合物升温到98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
(2)将上述溶液在超声分散仪中振荡分散，得到稳定的分散液，然后滴加的水合肼6毫升，滴加速度4毫升/分钟，并将此溶液放入油浴中加热到100℃后，恒温反应30分钟，然后用半透膜过滤，将得到的产物分别用去离子水、甲醇、乙醇交替洗涤4次，最后倒入5cm*2cm*5cm的模具中，在60℃条件下充分干燥，得到5cm*2cm*0.153cm尺寸的石墨烯薄片，作为电池的正极；
(3)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按3：2的比例混合均匀；
(4)准备PE隔膜，厚度为18微米；
(5)准备负极片：其材料为铝硅合金，其中硅的质量含量为8％，厚度为0.5毫米。
(6)将以上材料按照石墨烯、PE隔膜、铝硅合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝硅合金为负极，注入电解液并封装，得到含石墨烯电极的二次离子电池；
(7)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8％，电池的能量密度达到92Wh/Kg。
实施例2
(1)将5克石墨粉加入装有100毫升浓硫酸的容器中，容器置于冰浴中，搅拌30分钟，此时温度计显示为0℃，缓慢加入10克高锰酸钾粉末，搅拌均匀，并确保此过程中反应体系的温度在20℃以下，然后将搅拌均匀后的溶液升温到35℃持续搅拌30分钟，接着3.5毫升/分钟的向溶液中加入100毫升去离子水以及10毫升浓度为30％的双氧水，并把混合物升温到98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
(2)将上述溶液在超声分散仪中振荡分散，得到稳定的分散液，然后滴加的水合肼6毫升，滴加速度4毫升/分钟，并将此溶液放入油浴中加热到100℃后，恒温反应30分钟，然后用半透膜过滤，将得到的产物分别用去离子水、甲醇、乙醇交替洗涤4次，最后倒入5cm*2cm*5cm的模具中，在60℃条件下充分干燥，得到5cm*2cm*0.076cm尺寸的石墨烯薄片，作为电池的正极；
(3)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按2：1的比例混合均匀；
(4)准备PE隔膜，厚度为38微米；
(5)准备负极片：其材料为铝硅合金，其中硅的质量含量为5.6％，厚度为0.2毫米；
(6)将以上材料按照石墨烯、PE隔膜、铝硅合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝硅合金为负极，注入电解液并封装，得到含石墨烯电极的二次离子电池；
(7)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3.8V，循环10000次后，其容量损失9％，电池的能量密度达到95Wh/Kg。
实施例3
(1)将5克石墨粉加入装有100毫升浓硫酸的容器中，容器置于冰浴中，搅拌30分钟，此时温度计显示为0℃，缓慢加入9克高锰酸钾粉末，搅拌均匀，并确保此过程中反应体系的温度在20℃以下，然后将搅拌均匀后的溶液升温到35℃持续搅拌30分钟，接着4毫升/分钟的向溶液中加入100毫升去离子水以及10毫升浓度为30％的双氧水，并把混合物升温到98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
(2)将上述溶液在超声分散仪中振荡分散，得到稳定的分散液，然后滴加的水合肼8毫升，滴加速度4.5毫升/分钟，并将此溶液放入油浴中加热到100℃后，恒温反应30分钟，然后用半透膜过滤，将得到的产物分别用去离子水、甲醇、乙醇交替洗涤4次，最后倒入5cm*2cm*5cm的模具中，在60℃条件下充分干燥，得到5cm*2cm*0.005cm尺寸的石墨烯薄片，作为电池的正极；
(3)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按4：1的比例混合均匀；
(4)准备PP/PE/PP隔膜，厚度为20微米；
(5)准备负极片：其材料为铝硅合金，其中硅的质量含量为7％，厚度为0.4毫米。
(6)将以上材料按照石墨烯、隔膜、铝硅合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝硅合金为负极，注入电解液并封装，得到铝离子二次电池；
(7)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9％，电池的能量密度达到103Wh/Kg。
实施例4
(1)将5克石墨粉加入装有100毫升浓硫酸的容器中，容器置于冰浴中，搅拌30分钟，此时温度计显示为0℃，缓慢加入9克高锰酸钾粉末，搅拌均匀，并确保此过程中反应体系的温度在20℃以下，然后将搅拌均匀后的溶液升温到35℃持续搅拌30分钟，接着4毫升/分钟的向溶液中加入100毫升去离子水以及10毫升浓度为30％的双氧水，并把混合物升温到98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
(2)将上述溶液在超声分散仪中振荡分散，得到稳定的分散液，然后滴加的水合肼9毫升，滴加速度4.5毫升/分钟，并将此溶液放入油浴中加热到100℃后，恒温反应30分钟，然后用半透膜过滤，将得到的产物分别用去离子水、甲醇、乙醇交替洗涤4次，最后倒入5cm*2cm*5cm的模具中，在60℃条件下充分干燥，得到5cm*2cm*0.08cm尺寸的石墨烯薄片，作为电池的正极；
(3)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按5：2的比例混合均匀；
(4)准备PP隔膜，厚度为10微米；
(5)准备负极片：其材料为铝硅合金，其中硅的质量含量为6％，厚度为0.2毫米；
(6)将以上材料按照石墨烯、PP隔膜、铝硅合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝硅合金为负极，注入电解液并封装，得到含石墨烯电极的二次离子电池；
(7)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3.75V，循环8000次后，其容量损失7％，电池的能量密度达到95Wh/Kg。
实施例5
(1)将5克石墨粉加入装有100毫升浓硫酸的容器中，容器置于冰浴中，搅拌30分钟，此时温度计显示为0℃，缓慢加入7.5克高锰酸钾粉末，搅拌均匀，并确保此过程中反应体系的温度在20℃以下，然后将搅拌均匀后的溶液升温到35℃持续搅拌30分钟，接着4.5毫升/分钟的向溶液中加入100毫升去离子水以及10毫升浓度为30％的双氧水，并把混合物升温到98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
(2)将上述溶液在超声分散仪中振荡分散，得到稳定的分散液，然后滴加的水合肼10毫升，滴加速度3毫升/分钟，并将此溶液放入油浴中加热到100℃后，恒温反应30分钟，然后用半透膜过滤，将得到的产物分别用去离子水、甲醇、乙醇交替洗涤4次，最后倒入5cm*2cm*5cm的模具中，在60℃条件下充分干燥，得到5cm*2cm*0.20cm尺寸的石墨烯薄片，作为电池的正极；
(3)配制电解液：将[EMIm]Cl与AlCl3按3：1的比例混合均匀；
(4)准备PP/PE/PP隔膜，厚度为50微米；
(5)准备负极片：其材料为铝硅合金，其中硅的质量含量为5％，厚度为2毫米；
(6)将以上材料按照石墨烯、PE隔膜、铝硅合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝硅合金为负极，注入电解液并封装，得到含石墨烯电极的二次离子电池；
(7)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％，电池的能量密度为99Wh/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 (5)

1.一种含石墨烯电极的二次离子电池，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；所述负极为铝硅合金，其中硅的质量含量为5-8％；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，且小于4：1。
2.根据权利要求1所述的含石墨烯电极的二次离子电池，其特征在于：所述负极除铝硅之外的其他元素的质量含量总合小于0.1％，铝硅合金的厚度为0.2-2毫米。
3.根据权利要求2所述的含石墨烯电极的二次离子电池，其特征在于：所述隔膜的厚度为10-50微米。
4.根据权利要求3所述的含石墨烯电极的二次离子电池，其特征在于：所述石墨烯的厚度为50-2000微米。
5.一种如权利要求4所述的含石墨烯电极的二次离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨粉加入装有浓硫酸的容器中，容器置于冰浴中，搅拌均匀，再加入的高锰酸钾粉末，石墨粉与高锰酸钾的质量之比为1:1.5-1:2，保持温度20℃以下搅拌均匀，将搅拌均匀后的溶液升温到35℃持续搅拌30分钟，接着滴加速度小于5毫升/分钟的向溶液中加入去离子水以及浓度为30％的双氧水，并把混合物升温到98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
(2)将上述溶液在超声分散仪中振荡分散，得到稳定的分散液，然后滴加水合肼5-10毫升，滴加速度小于5毫升/分钟，并将此溶液放入油浴中加热到100℃后，恒温反应30分钟，然后用半透膜过滤，将得到的产物分别用去离子水、甲醇、乙醇交替洗涤4次，最后在60℃条件下充分干燥，得到的产物就是石墨烯，作为电池的正极；
(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、隔膜、铝硅合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝硅合金为负极，注入电解液并封装，便得到铝电池。
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