CN105552317A - 一种高性能的铝电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能的铝电池及制备方法,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-镍的复合材料,其中镍为纳米颗粒镶嵌于石墨烯中,镍颗粒的直径介于0.5微米到10微米之间;所述负极为高纯铝;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0.8,小于1.5。本发明的高性能的铝电池,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
技术领域
本发明涉及一种高性能的铝电池及制备方法,属于离子电池领域。
背景技术
从上个世纪九十年代工业界开始批量生产锂离子电池开始,在短短的数年间,锂离子电池便占领了移动设备的电源市场。当前,笔记本电脑、手机、电动工具等设备中使用的基本上都是液体电解质的锂离子二次电池,甚至电动自行车、电动汽车也开始采用锂离子电池。然而,由于锂是一种活波的金属,锂离子电池在使用的过程中会带来安全风险。事实上手机电池爆炸的事件时有发生。特别是当用在电动车、电动工具当中时,由于电池体积大、容量大,一旦发生事故,其危害性更大。人们开始考虑采用锂以外的元素作为导电粒子。
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。
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。
专利CN104078679A开了一种二次铝电池,包括正极、含铝负极和非水电解液。所述正极为碳纳米管/导电硫化聚合物复合材料。制备成电池后,其放电电压为1.85V,50次循环后容量衰减大于20%。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种高性能的铝电池及制备方法,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。
技术方案:为实现上述目的,本发明的高性能的铝电池,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-镍的复合材料,其中镍为纳米颗粒镶嵌于石墨烯中,镍颗粒的直径介于0.5微米到10微米之间;所述负极为高纯铝;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0.8,小于1.5。
作为优选,所述石墨烯-镍的复合材料厚度为50-2000微米,镍的质量为复合材料总量在的1-20%。
作为优选,所述高纯铝中杂质元素的质量含量总合小于0.1%,高纯铝厚度为0.2-2毫米。
作为优选,所述隔膜的厚度为10-50微米。
一种上述的高性能的铝电池的制备方法,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32~38℃后持续搅拌28~32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95℃~100℃并持续搅拌15分钟,直到混合物颜色变为亮黄色;
(2)在上述溶液中加入直径介于0.5微米到10微米的镍粉,镍粉的质量少于石墨粉的1/5,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毫升并均匀搅拌),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-镍复合薄片,用作正极;
(3)将[EMIm]Cl与AlCl3按一定比例混合均匀,得到电解液,其中[EMIm]+与Al3+摩尔比大于大于0.8,小于1.5;
(4)按照石墨烯-镍复合薄片、隔膜、高纯铝的顺序排列,其中石墨烯-镍复合薄片为正极,高纯铝为负极,注入电解液并封装,便得到高性能的铝电池。
有益效果:本发明的高性能的铝电池,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
(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,接着缓慢的向溶液中加入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)在上述溶液中加入直径10微米的镍粉0.1克,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5毫升,滴加时均匀搅拌,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*0.036cm尺寸的石墨烯-镍薄片,作为电池的正极;
(3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按摩尔比[EMIm]Cl/AlCl3=0.8的比例混合均匀;
(4)准备PP隔膜,厚度为50微米;
(5)准备负极片:其材料为高纯铝,厚度为0.55毫米;
(6)将以上材料按照石墨烯-镍薄片、PE隔膜、高纯铝的顺序排列,其中石墨烯为正极,高纯铝为负极,注入电解液并封装,得到铝电池。
(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3.6V,循环8000次后,其容量损失7%,电池的能量密度达到104Wh/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,接着缓慢的向溶液中加入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)在上述溶液中加入直径介于0.5微米的镍粉0.1克,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,滴加时均匀搅拌,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*0.093cm尺寸的石墨烯-镍薄片,作为电池的正极;
(3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按摩尔比[EMIm]Cl/AlCl3=1.5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:其材料为高纯铝,厚度为1.4毫米;
(6)将以上材料按照石墨烯-镍薄片、PE隔膜、高纯铝的顺序排列,其中石墨烯为正极,高纯铝为负极,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3.5V,循环10000次后,其容量损失9%,电池的能量密度达到108Wh/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,接着缓慢的向溶液中加入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)在上述溶液中加入直径介于5微米的镍粉0.8克,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5毫升,滴加时均匀搅拌,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按摩尔比[EMIm]Cl/AlCl3=1的比例混合均匀;
(4)准备PP/PE/PP隔膜,厚度为13微米;
(5)准备负极片:其材料为高纯铝,厚度为0.52毫米;
(6)将以上材料按照石墨烯-镍薄片、PE隔膜、高纯铝的顺序排列,其中石墨烯-镍薄片为正极,高纯铝为负极,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3.65V,循环8500次后,其容量损失7%,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,接着缓慢的向溶液中加入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)在上述溶液中加入直径介于3微米的镍粉0.3克,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,滴加时均匀搅拌,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*0.2cm尺寸的石墨烯-镍薄片,作为电池的正极;
(3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按摩尔比[EMIm]Cl/AlCl3=1.2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:其材料为高纯铝,厚度为0.2毫米;
(6)将以上材料按照石墨烯-镍薄片、PE隔膜、高纯铝的顺序排列,其中石墨烯为正极,高纯铝为负极,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3.8V,循环8000次后,其容量损失8%,电池的能量密度达到97Wh/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,接着缓慢的向溶液中加入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)在上述溶液中加入直径0.9微米的镍粉1克,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5毫升,滴加时均匀搅拌,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*0.01cm尺寸的石墨烯-镍薄片,作为电池的正极;
(3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按摩尔比[EMIm]Cl/AlCl3=0.9的比例混合均匀;
(4)准备PP/PE/PP隔膜,厚度为18微米;
(5)准备负极片:其材料为高纯铝,厚度为2毫米;
(6)将以上材料按照石墨烯-镍薄片、PE隔膜、高纯铝的顺序排列,其中石墨烯为正极,高纯铝为负极,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3.75V,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)
1.一种高性能的铝电池,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-镍的复合材料,其中镍为纳米颗粒镶嵌于石墨烯中,镍颗粒的直径介于0.5微米到10微米之间;所述负极为高纯铝;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0.8,小于1.5。
2.根据权利要求1所述的高性能的铝电池,其特征在于:所述石墨烯-镍的复合材料厚度为50-2000微米,镍的质量为复合材料总量在的1-20%。
3.根据权利要求2所述的高性能的铝电池,其特征在于:所述高纯铝中杂质元素的质量含量总合小于0.1%,高纯铝厚度为0.2-2毫米。
4.根据权利要求3所述的高性能的铝电池,其特征在于:所述隔膜的厚度为10-50微米。
5.一种权利要求4所述的高性能的铝电池的制备方法,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32~38℃后持续搅拌28~32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95℃~100℃并持续搅拌15分钟,直到混合物颜色变为亮黄色;
(2)在上述溶液中加入直径介于0.5微米到10微米的镍粉,镍粉的质量少于石墨粉的1/5,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毫升并均匀搅拌,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-镍复合薄片,用作正极;
(3)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0.8,小于1.5;
(4)按照石墨烯-镍复合薄片、隔膜、高纯铝的顺序排列,其中石墨烯-镍复合薄片为正极,高纯铝为负极,注入电解液并封装,便得到高性能的铝电池。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160504 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |