CN114477296A - 可充放电水系铝离子电池正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可充放电水系铝离子电池正极材料及其制备方法。所述方法将水钠锰矿型二氧化锰或石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料浸渍于三氟甲基磺酸铝水溶液中制得布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料。以布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料为正极活性材料组装成的电池具有较好的放电比容量、循环性能及库伦效率，在25℃下，电池在100mAg‑1下进行恒流充放电，充放电电压范围为0.4～1.8V，放电比容量为251mAh·g‑1，首次库伦效率最高可达96.2％，循环50周后其放电比容量保持率最高可达93.4％，具有较好的循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可充放电水系铝离子电池正极材料及其制备方法，属于电池材料制备领域。
背景技术
伴随社会经济快速发展，生活水平不断提高，传统能源日益消耗枯竭，化石能源大量开发及利用，人类面临环境问题和能源危机。因此加强开发和利用新型可再生能源以及重点发展新型绿色能源技术成为全球可持续发展战略的重要选择。可再生能源具有天然的自我再生功能，但这些新能源体系具有很强的地域性和间歇性，使其的有效利用面临诸多技术问题，而规模储能是解决这些难题的关键技术。各种储能方式中，电化学储能是最为简便、高效的一种方式，成为储能技术发展的主流。
锰基层状金属氧化物具有电压高、单体容量大、寿命长、安全性能好、无记忆效应、自放电率低、对环境污染小等一系列特点，被广泛应用于军用通讯、航空航天、电动汽车、混合动力汽车等领域。中国专利申请CN201910258323.3公开了一种可充放电水系铝离子电池及其制备工艺，采用的正极材料为水钠锰矿锰酸盐Na0.55Mn2O4·1.5H2O，负极为金属铝及其合金，电解质为2M的三氟甲基磺酸铝水溶液，其循环性能较差，在25℃下电池在100mAg-1下进行恒流充放电，循环20周后其放电比容量保持率低于63％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较好的放电比容量、循环性能及库伦效率的可充放电水系铝离子电池正极材料及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
可充放电水系铝离子电池正极材料的制备方法，具体步骤如下：
将水钠锰矿型二氧化锰或石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料浸渍于三氟甲基磺酸铝水溶液中，得到布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料即可充放电水系铝离子电池正极材料。
优选地，所述的三氟甲基磺酸铝水溶液浓度为2～5mol/L。
优选地，浸渍时间为10～72h，浸渍温度为20～45℃。
优选地，水钠锰矿型二氧化锰或石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料与三氟甲基磺酸铝水溶液的质量体积比为为1:100～1:10，g:mL。
本发明还提供一种可充放电水系铝离子电池，由上述方法制备的布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料为正极活性材料，电解液三氟甲基磺酸铝溶液，负极铝箔或涂碳铝箔和隔膜组成。
优选地，三氟甲基磺酸铝溶液的浓度为2.0～5.0mol/L。
本发明还提供上述可充放电水系铝离子电池的制备方法，包括以下步骤：
将布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料与Super P导电剂、聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂按质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮中混合制成浆料，涂覆在正极集流体上，真空干燥后制成正极电极片，负极为铝箔或涂碳铝箔，三氟甲磺酸铝水溶液为电解液，正负极之间设置隔膜，组装成纽扣式电池。
优选地，真空干燥时间为10h。
优选地，正极集流体选自碳纸、碳布、不锈钢箔或钛箔。
优选地，隔膜选自聚乙烯、聚丙烯、无尘纸、玻璃毡或玻璃纤维。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明制备的布塞尔矿型正极材料具备层状结构，成本低、容量大、寿命长、安全性能好，其层间距较大，有利于铝离子的嵌入与脱出。以布塞尔矿型材料为正极材料制备的电池具有较好的放电比容量、循环性能及库伦效率，在25℃下，电池在100mAg-1下进行恒流充放电，充放电电压范围为0.4～1.8V，放电比容量为251mAh·g-1，首次库伦效率最高可达96.2％，循环50周后其放电比容量保持率最高可达93.4％，具有较好的循环性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述。
下述实施例中采用的水钠锰矿型二氧化锰的制备参考【Inorganic Chemistry,2000,39,741-747】。
下述实施例中采用的石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料的制备参考【Journalof Power Sources,2013,242,78-85】。
实施例1
在20℃下，将1.0g水钠锰矿型二氧化锰材料置于50mL、2.5mol/L的三氟甲基磺酸铝水溶液中浸渍10h，过滤、真空烘干后得到产物布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料。将产物与Super P导电剂、PVDF粘结剂按质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮中混合制成浆料，涂覆在炭纸上，在真空干燥箱中干燥10h制成电极片。并将其组装成扣式电池，负极为涂碳铝箔，电解液为4.0mol/L的三氟甲磺酸铝水溶液，隔膜为玻璃纤维。在25℃下，电池在100mAg-1下进行恒流充放电，充放电电压范围为0.4～1.8V，放电比容量为183mAh g-1，首次库伦效率为88.2％，循环50周后其放电比容量保持率为63.5％。
实施例2
在20℃下，将1.0g石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料置于50mL、5.0mol/L的三氟甲基磺酸铝水溶液中浸渍10h，过滤、真空烘干后得到产物布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料。将产物与Super P导电剂、PVDF粘结剂按质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮中混合制成浆料，涂覆在炭纸上，在真空干燥箱中干燥10h制成电极片。并将其组装成扣式电池，负极为涂碳铝箔，电解液为4.0mol/L的三氟甲磺酸铝水溶液，隔膜为玻璃纤维。在25℃下，电池在100mAg-1下进行恒流充放电，充放电电压范围为0.4–1.8V，放电比容量为239mAhg-1，首次库伦效率为93.0％，循环50周后其放电比容量保持率为87.4％。
实施例3
在45℃下，将1.0g石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料置于50mL、5.0mol/L的三氟甲基磺酸铝水溶液中浸渍10h，过滤、真空烘干后得到产物布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料。将此产物与Super P导电剂、PVDF粘结剂按质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮中混合制成浆料，涂覆在炭纸上，在真空干燥箱中干燥10h制成电极片。并将其组装成扣式电池，负极为涂碳铝箔，电解液为4.0mol/L的三氟甲磺酸铝水溶液，隔膜为玻璃纤维。在25℃下，电池在100mAg-1下进行恒流充放电，充放电电压范围为0.4～1.8V，放电比容量为251mAh g-1，首次库伦效率为96.2％，循环50周后其放电比容量保持率为93.4％。
Claims (10)
1.可充放电水系铝离子电池正极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
将水钠锰矿型二氧化锰或石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料浸渍于三氟甲基磺酸铝水溶液中，得到布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料即可充放电水系铝离子电池正极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的三氟甲基磺酸铝水溶液浓度为2～5mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，浸渍时间为10～72h，浸渍温度为20～45℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，水钠锰矿型二氧化锰或石墨烯复合水钠锰矿型二氧化锰材料与三氟甲基磺酸铝水溶液的质量体积比为为1:100～1:10，g:mL。
5.根据权利要求1至4任一所述的制备方法制得的可充放电水系铝离子电池正极材料。
6.可充放电水系铝离子电池，其特征在于，由权利要求5所述的可充放电水系铝离子电池正极材料，电解液三氟甲基磺酸铝溶液，负极铝箔或涂碳铝箔和隔膜组成。
7.根据权利要求6所述的可充放电水系铝离子电池，其特征在于，三氟甲基磺酸铝溶液的浓度为2.0～5.0mol/L。
8.根据权利要求6或7所述的可充放电水系铝离子电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将布塞尔矿型结构的(AlOH)xMnO2·nH2O材料与Super P导电剂、PVDF粘结剂按质量比80:10:10在N-甲基吡咯烷酮中混合制成浆料，涂覆在正极集流体上，真空干燥后制成正极电极片，负极为涂碳铝箔，三氟甲磺酸铝水溶液为电解液，正负极之间设置隔膜，组装成纽扣式电池。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，真空干燥时间为10h。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，正极集流体选自碳纸、碳布、不锈钢箔或钛箔；隔膜选自聚乙烯、聚丙烯、无尘纸、玻璃毡或玻璃纤维。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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