CN109378444A - 一种铝离子电池及其正极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝离子电池及其正极的制备方法，主要解决现有铝离子电池正极制备方法复杂、正极无金属集流体以及由此引起的铝离子电池无法工业化生产的问题。本发明将石墨浆料涂覆到惰性金属集流体上，制成铝离子电池正极。该正极制备方法简单，可扩展性好，易于大规模生产，可组装为纽扣电池、圆柱电池、软包电池或方形电池。所组装的铝离子电池的循环稳定性好，一致性高，便于电池成组使用。

Description

一种铝离子电池及其正极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝离子电池及其正极的制备方法，属于新型电池领域。
背景技术
锂离子电池是目前应用最广泛的二次电池，主要应用在便携式电子器件上。随着新能源汽车的大力推广，大量采用以三元和磷酸铁锂材料为正极的锂离子电池作为汽车动力源。由于车用动力电池的高功率要求，锂离子电池组需要大电流的充放电。但是锂离子电池使用的碳酸酯类电解液是一类极容易燃烧的有机电解液，加之汽车使用过程中大电流充放电引起的电池升温、负极枝晶生长，使得锂离子电池热失控的概率极大的增加。近年来，电动汽车自燃事故频发，锂离子电池的安全性成为电动汽车的一个隐患。
斯坦福大学戴宏杰教授开发了一种新型铝离子电池【Lin,M.C.,M.Gong,et al.(2015)."An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery."Nature 520(7547):325-328】。因为使用不可燃的室温离子液体电解液，即使在极大电流(50C)充放电过程中，铝离子电池也不会起火燃烧，极大提升了电池安全性。
铝离子电池的高功率特性使其具有广阔的应用场景。但是目前铝离子电池正极的制备方法过于复杂，多采用无集流体正极的电池设计，这样就使得铝离子电池无法工业化生产圆柱电池(18650型等)、软包电池和方形电池，限制了其工业化进程。目前锂离子电池常规的正极集流体(铜箔)会受到离子液体电解液的腐蚀，因此不能用作铝离子电池正极集流体。由于无法使用铜箔正极集流体，铝离子电池的正极制备方法过于复杂。例如，【Lin,M.C.,M.Gong,et al.(2015)."An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery."Nature 520(7547):325-328】报道中，铝离子电池采用热解石墨泡沫作为正极，制备方法是甲烷气体在泡沫镍上发生化学气相沉积，反应完成后将泡沫镍用盐酸除去。【Wang,D.Y.,C.Y.Wei,et al.(2017)."Advanced rechargeable aluminium ion battery with ahigh-quality natural graphite cathode."Nature Communications 8:14283】报道中，铝离子电池采用自支撑的天然石墨膜作为正极，制备方法是将天然石墨浆料涂覆在铜箔集流体上，然后使用三氯化铁溶液刻蚀掉铜箔集流体。上述铝离子电池正极的制备方法均包含去除金属集流体的后处理过程，不仅增加了工序，而且会引入杂质，还存在铜镍废液回收不当引起的环保风险。
发明内容
本发明的目的是，提供一种铝离子电池及其正极的制备方法，解决现有铝离子电池正极制备方法复杂、正极无金属集流体以及由此引起的铝离子电池无法工业化生产的问题。
本发明采用如下技术方案：一种铝离子电池正极的制备方法，该方法为：将石墨粉：导电剂：粘结剂以60～99:0～30:1～30的质量比例混合，与去离子水或N-甲基吡咯烷酮形成均匀的浆料；将前述浆料涂覆到惰性金属集流体上，真空干燥制成石墨正极。
进一步地，所述惰性金属集流体为钽集流体、钨集流体、钼集流体或镍集流体等。
进一步地，所述石墨粉是膨胀石墨粉、天然石墨粉或Kish石墨粉等。
进一步地，所述导电剂是super P、科琴黑或乙炔黑等。
进一步地，所述粘结剂是CMC、PVDF或海藻酸钠等。
进一步地，所述涂覆方式是刮涂、流延或喷涂等。
一种铝离子电池，包括上述方法制备得到的石墨正极，负极为铝箔，正极与负极之间是1～5层的玻璃纤维隔膜，电解液为三乙胺盐酸盐与三氯化铝按照摩尔比1:1.0～1.8组成的混合物。
进一步地，所述铝离子电池的组装方式是纽扣电池、圆柱电池、软包电池或方形电池等。
本发明的有益效果在于：铝离子电池的正极制备方法简单，可扩展性好，易于大规模生产，可组装为纽扣电池、圆柱电池、软包电池或方形电池。所组装的铝离子电池相比于无正极集流体的电池设计，具有更好的循环稳定性、一致性，便于电池成组使用。
附图说明
图1是实施例1制备的扣式铝离子电池的循环性能图。图中，充放电曲线基本重合，表现出较高的库伦效率和很好的电池循环稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明做进一步阐述。
应注意，此处实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明的范围。
还应注意，在阅读本发明的内容后，本领域技术人员对本发明所做的各种改动和修改，这些等价形式同样属于本发明权利要求书的限定范围。
实施例1：
(1)膨胀石墨粉：科琴黑：海藻酸钠以60:10:30的质量比例混合，与去离子水形成均匀的浆料；
(2)将上述电极浆料刮涂到钽箔上，真空干燥制成石墨正极。
(3)按照以下顺序组装扣式铝离子电池：在正极壳(CR2025)中放入上述(2)中制备的石墨正极；在石墨正极上，放1层的玻璃纤维隔膜(Whatman)，滴加适量的摩尔比1:1.3的三乙胺盐酸盐/三氯化铝电解液；然后在玻璃纤维隔膜(Whatman)上放负极铝箔，对齐压实，盖上负极壳，最后使用扣式电池封装机封装。
使用蓝电测试系统，对上述组装的扣式铝离子电池进行1A/g恒流充放电实验，电池测试容量为100mAh/g。如图1所示。
实施例2：
(1)天然石墨粉：乙炔黑：CMC以70:22:8的质量比例混合，与去离子水形成均匀的浆料；
(2)将上述电极浆料流延到钨箔上，真空干燥制成石墨正极。
(3)按照以下顺序组装软包铝离子电池：使用上述(2)中制备的石墨正极作为软包电池的正极；以铝箔作为软包电池的负极；在石墨正极与铝箔负极之间，放置5层的玻璃纤维隔膜(Whatman)，对齐固定，放入软包电池袋中，注入适量的摩尔比1:1.0的三乙胺盐酸盐/三氯化铝电解液，最后使用软包电池封装机封装。
使用蓝电测试系统，对上述组装的软包铝离子电池进行1A/g恒流充放电实验，电池测试容量为108mAh/g。
实施例3：
(1)Kish石墨粉：super P：PVDF以80:5:15的质量比例混合，与N-甲基吡咯烷酮形成均匀的浆料；
(2)将上述电极浆料喷涂到钼箔上，真空干燥制成石墨正极。
(3)按照以下顺序组装圆柱18650铝离子电池：使用上述(2)中制备的石墨正极作为圆柱电池的正极；以铝箔作为圆柱电池的负极；在石墨正极与铝箔负极之间，放置2层的玻璃纤维隔膜(Whatman)，对齐卷绕，放入圆柱电池壳中，注入适量的摩尔比1:1.8的三乙胺盐酸盐/三氯化铝电解液，最后封装成18650圆柱电池。
使用蓝电测试系统，对上述组装的圆柱18650铝离子电池进行1A/g恒流充放电实验，电池测试容量为103mAh/g。
实施例4：
(1)膨胀石墨粉：CMC以88:12的质量比例混合，与去离子水形成均匀的浆料；
(2)将上述电极浆料刮涂到镍箔上，真空干燥制成石墨正极。
(3)按照以下顺序组装方形铝离子电池：使用上述(2)中制备的石墨正极作为方形电池的正极；以铝箔作为方形电池的负极；在石墨正极与铝箔负极之间，放置3层的玻璃纤维隔膜(Whatman)，对齐卷绕，放入方形电池壳中，注入适量的摩尔比1:1.5的三乙胺盐酸盐/三氯化铝电解液，最后封装成方形电池。
使用蓝电测试系统，对上述组装的方形铝离子电池进行1A/g恒流充放电实验，电池测试容量为101mAh/g。

Claims (8)

1.一种铝离子电池正极的制备方法，其特征在于，该方法为：将石墨粉：导电剂：粘结剂以60～99:0～30:1～30的质量比例混合，与去离子水或N-甲基吡咯烷酮形成均匀的浆料。将前述浆料涂覆到惰性金属集流体上，真空干燥制成石墨正极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述惰性金属集流体为钽集流体、钨集流体、钼集流体或镍集流体等。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨粉是膨胀石墨粉、天然石墨粉或Kish石墨粉等。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电剂是super P、科琴黑或乙炔黑等。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂是CMC、PVDF或海藻酸钠等。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述涂覆方式是刮涂、流延或喷涂等。
7.一种铝离子电池，其特征在于，包括权利要求1所述方法制备得到的石墨正极，负极为铝箔，正极与负极之间是1～5层的玻璃纤维隔膜，电解液为三乙胺盐酸盐与三氯化铝按照摩尔比1:1.0～1.8组成的混合物。
8.根据权利要求7所述的铝离子电池，其特征在于，所述铝离子电池的组装方式是纽扣电池、圆柱电池、软包电池或方形电池等。
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