氧化物-石墨层间化合物及其制备方法与电极和电池技术

本发明专利技术公开了一种氧化物‑石墨层间化合物及其制备方法与电极和电池，它是在天然石墨结晶结构层片之间插入了氧化硅、氧化铝或氧化钛所形成的层间化合物。位于石墨晶格层间位置的氧化硅、氧化铝或氧化钛微粒在充放电过程具有很高的电化学活性，能明显提高电极的能量密度。经表面活化，加入分散剂、粘合剂混合均匀，将层间化合物压制成型并烘干后得到氧化物‑石墨层间化合物电极，适用于各种类型使用炭素电极的电池。以该炭电极为阴极，金属铝为阳极，铝离子液体为电解质溶液组成的铝离子电池，在能量密度、充放电性能、安全性能等方面优于锂离子电池。这种电池广泛适用于手机、照相机等用电器，以及各类车、船、无人机、水下潜器的动力电池。

Oxide-graphite interlayer compounds and their preparation methods and electrodes and batteries

The present invention discloses an oxide graphite interlayer compound, its preparation method and electrodes and batteries. It is an interlayer compound formed by inserting silicon oxide, alumina or titanium oxide between crystalline layers of natural graphite. Silica, alumina or titanium oxide particles located between graphite lattice layers have high electrochemical activity during charge-discharge process, which can significantly improve the energy density of the electrode. After surface activation, adding dispersant and binder to mix evenly, the interlayer compound is pressed and dried to obtain oxide graphite interlayer compound electrode, which is suitable for all types of batteries using carbon electrode. Aluminum ion batteries with carbon electrode as cathode, metal aluminum as anode and aluminum ionic liquid as electrolyte solution are superior to lithium ion batteries in energy density, charge-discharge performance and safety performance. This battery is widely used in mobile phones, cameras and other electrical appliances, as well as power batteries for various vehicles, ships, UAVs and underwater vehicles.

【技术实现步骤摘要】
氧化物-石墨层间化合物及其制备方法与电极和电池
本专利技术属于能源领域，具体涉及一种氧化物-石墨层间化合物及其制备方法与电极和电池。
技术介绍
电池的能量密度取决于阳极材料、阴极材料的容量，以及电解质溶液的性能等因素。长期以来，人们提高电池能量密度的努力主要是针对阳极材料，以锂离子电池为例，用三元系替代磷酸亚铁锂使阳极材料的理论容量从170mAh/g提高到接近300mAh/g。而针对炭阴极材料的研究进展不大。浙江大学高超团队用石墨烯取代结晶石墨制作铝电池的阴极，尽管在充放电速率、循环寿命等方面取得了显著进展，但电池的能量密度未见有明显增加。而且石墨烯价格不菲，和传统碳电极相比在成本上不具有市场竞争力。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种氧化物-石墨层间化合物及其制备方法，以及采用该氧化物-石墨层间化合物的电极和电池。第一方面，本专利技术提供了一种氧化物-石墨层间化合物，它是由氧化硅、氧化铝或氧化钛插入在鳞片石墨结晶结构层之间组成的层间化合物。第二方面，本专利技术提供了一种上述氧化物-石墨层间化合物的制备方法，它包括以下步骤：1)将粒度小于300目的鳞片石墨与氧化硅、氧化铝或氧化钛的前躯体按重量比为1:2至1:4的比例混合均匀；2)将混合物装入磨机中共同研磨2至6小时；或者将混合物装入密闭惰性容器中，加热到前躯体沸点以上温度恒温2-6小时后，待容器冷却取出物料，将物料在水蒸气中沐浴2-6小时；3)经过步骤2)处理的物料，在120至400℃马弗炉中恒温1-3小时，冷却至室温后得到氧化物-石墨层间化合物。所述的氧化硅、氧化铝或氧化钛的前躯体是硅烷偶联剂、铝酸酯、钛酸酯类化合物中的一种或三氯化铝，推荐优选为正辛基三乙氧基硅烷(英文名：Triethoxyoctylsilane；商品名：硅烷偶联剂)、二硬脂酰氧异丙氧基铝酸酯(英文名：DistearoylIsopropoxyAluminate；商品名：铝酸酯偶联剂)、异丙基三硬脂酸钛酸酯(英文名：Tri-isostearoylIsopropoxyTitanate；商品名：钛酸酯偶联剂)、钛酸四丁酯(英文名：TetrabutylTitanate)。第三方面，本专利技术提供了一种采用上述氧化物-石墨层间化合物的炭质电极制备方法，包括以下步骤：1)在氧化物-石墨层间化合物中加入相当于氧化物-石墨层间化合物重量0.5至1.5倍的水溶液，加入的水溶液中含有相当于氧化物-石墨层间化合物重量0.5％至1.5％的表面活性剂、相当于氧化物-石墨层间化合物重量2％至5％的分散剂，以及相当于氧化物-石墨层间化合物重量0.5％至3％的粘结剂，充分搅拌使混合均匀；2)物料在烘箱中烘至半干，然后将混合物装填入模具中，其中埋入铜丝作为导体，压制成目标形状，烘干脱水后脱模，得到电极胚体；3)将电极胚体在180至200℃恒温2-4小时，冷却后得到氧化物-石墨层间化合物炭电极。所述的表面活性剂是季铵盐类化合物，推荐优选为十六烷基三甲基溴化铵(HexadecyltrimethylammoniumBromide，CTMAB)或十六烷基三甲基氯化铵(Hexadecyltrimethylammoniumchloride，CTMAC)。所述的分散剂是乙醇胺(别名2-羟基乙胺，英文名：Monoethanolamine；2-Aminoethanol)和N,N-二甲基甲酰胺(英文名：DimethylFormamide，简称DMF)的一种或混合物。所述的粘结剂是水溶性纤维素及同类化合物，推荐优选为羧甲基纤维素(CarboxylMethylCellulose，简称CMC)或其钠盐，聚丙烯酸钠(SodiumPolyAcrylate，简称PAAS)中的一种。上述任意一种方法均可制备得到氧化物-石墨层间化合物炭电极。第四方面，本专利技术提供了一种采用上述氧化物-石墨层间化合物炭电极的电池，该电池内设置有设置有一组或多组金属铝阳极和氧化物-石墨层间化合物炭电极阴极，铝阳极用金属铝箔、铝片或铝板制成，阳极和阴极之间被离子隔膜分隔，电池内充有铝离子液体，抽真空后密封；金属铝阳极和氧化物-石墨层间化合物炭电极阴极通过导体穿过封口与外电场连接；该电池是一种二次电池，电池放电后可重新充电重复使用。所述的铝离子液体可以是商业产品，也可以按以下方法配制：将1-乙基-3-甲基咪唑氯化物(英文名：1-Ethyl-3-methylimidazoliumChloride，简称[EMIM]Cl)在110至150℃氮气烘箱恒温12至24小时，再加入摩尔数1.1至1.5倍的无水氯化铝，搅拌均匀在氮气保护下冷却。本专利技术提供的氧化物-石墨层间化合物继承了石墨导电性好，导热率高等优点。和石墨烯相比，氧化物-石墨层间化合物的制备成本低，所用试剂对环境友好；更重要的是，位于石墨晶格层间位置的氧化硅、氧化铝或氧化钛微粒表面有丰富的Si—O、Al—O或Ti—O断键，在充放电过程具有很高的电化学活性，因此能明显提高阴极的能量密度。氧化物-石墨层间化合物适合于取代结晶石墨和其它碳素材料，用作锂离子、铝离子电池或其它离子型二次电池的阴极材料，能全面提升电池的能量密度、充放电倍率以及循环寿命等性能指标，具有综合性竞争优势。本专利技术还给出了基于氧化物-石墨层间化合物的炭质电极制备技术，以及使用该电极制作电池的方法。以氧化物-石墨层间化合物炭电极为阴极，金属铝为阳极，铝离子液体为电解质溶液组成的铝离子电池，在能量密度、充放电性能、安全性能等方面优于锂离子电池，电池广泛适用于手机、照相机等用电器，以及各类车、船、无人机、水下潜器的动力电池。附图说明图1为天然鳞片石墨的XRD衍射谱。图2分为氧化钛-石墨层间化合物的XRD衍射谱。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术第一方面是提供了一种氧化物-石墨层间化合物，它是由氧化硅、氧化铝或氧化钛插入在鳞片石墨结晶结构层之间组成的层间化合物。天然鳞片石墨具有层状结晶结构，每一结构层由碳—碳共价键连接，结合牢固；而结构层之间由范德华力相互吸引，结合较弱。在适当条件下，一些化合物的分子能进入石墨晶格的层间，形成层间化合物，这类化合物也称为石墨层间化合物或插层石墨。由于石墨结晶结构的约束避免了团聚，通过插层反应进入石墨晶格内部层间位置的氧化硅、氧化铝或氧化钛微粒保持了纳米结构，微粒表面的Si—O、Al—O、Ti—O断键在充放电反应中能与带正电荷的Li+、Al3+等阳离子结合，用氧化物-石墨层间化合物替代结晶石墨、石墨烯、导电炭黑等碳素材料用作各类电池的电极材料，明显提高炭电极的电化学活性及比容量，全面改善电池的性能，并且在价格上具有市场竞争力。本专利技术第二方面是提供了一种上述氧化物-石墨层间化合物的制备方法，它包括以下步骤：1)将粒度小于300目的鳞片石墨与氧化硅、氧化铝或氧化钛的前躯体按重量比为1:2至1:4的比例混合均匀。由于无法将氧化硅、氧化铝或氧化钛直接插入石墨结构层，本专利技术使用了硅、铝、钛氧化物的前躯体。所述的氧化硅、氧化铝或氧化钛的前躯体是硅烷偶联剂、铝酸酯、钛酸酯类化合物中的一种或三氯化铝，推荐优选为正辛基三乙氧基硅烷(英文名：Triethoxyoctylsilane；商品名：硅烷偶联剂)、二硬脂酰氧异丙氧基铝酸酯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化物‑石墨层间化合物，其特征在于它是由氧化硅、氧化铝或氧化钛插入在鳞片石墨结晶结构层之间组成的层间化合物。

【技术特征摘要】
1.一种氧化物-石墨层间化合物，其特征在于它是由氧化硅、氧化铝或氧化钛插入在鳞片石墨结晶结构层之间组成的层间化合物。2.一种如权利要求1所述氧化物-石墨层间化合物的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：1)将粒度小于300目的鳞片石墨与氧化硅、氧化铝或氧化钛的前躯体按重量比为1:2至1:4的比例混合均匀；2)将混合物装入磨机中共同研磨2至6小时；或者将混合物装入密闭惰性容器中，加热到前躯体沸点以上温度恒温2-6小时后，待容器冷却取出物料，将物料在水蒸气中沐浴2-6小时；3)经过步骤2)处理的物料，在120至400℃马弗炉中恒温1-3小时，冷却至室温后得到氧化物-石墨层间化合物。3.如权利要求2所述的氧化物-石墨层间化合物的制备方法，其特征在于，所述的氧化硅、氧化铝或氧化钛的前躯体是硅烷偶联剂、铝酸酯、钛酸酯类化合物中的一种或三氯化铝，优选为正辛基三乙氧基硅烷、二硬脂酰氧异丙氧基铝酸酯、异丙基三硬脂酸钛酸酯、钛酸四丁酯。4.一种采用如权利要求1所述的氧化物-石墨层间化合物的炭质电极制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)在氧化物-石墨层间化合物中加入相当于氧化物-石墨层间化合物重量0.5至1.5倍的水溶液，加入的水溶液中含有相当于氧化物-石墨层间化合物重量0.5％至1.5％的表面活性剂、相当于氧化物-石墨层间化合物重量2％至5％的分散剂，以及相当于氧化物-石墨层间化合物重量0.5％至3％的粘结剂，充分搅拌使混合均匀；2)物料在...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶瑛，夏天，张平萍，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33