利用废旧铝离子二次电池的正极材料制备石墨烯的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用废旧铝离子二次电池正极材料制备石墨烯的方法，是回收利用废旧铝离子电池正极材料石墨的一种高效方法，属于废旧电池回收及高端材料制备领域。该法利用废旧的以石墨结构材料为正极的铝离子电池，通过电解方式将废旧电池的石墨正极直接变为石墨烯回收利用，其原理是通过在高电位下使得离子液体中的铝配合物离子持续不断嵌入碳层，进而使石墨的层状结构崩裂，产生具有高附加值的石墨烯。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及废旧电池回收及高端材料制备领域，尤其是涉及一种利用废旧铝离子二次电池制备石墨烯的方法。
技术介绍
焦树强课题组对铝离子二次电池进行了大量的研究，提出了采用铝金属、合金铝作为铝离子二次电池的负极材料，石墨类材料作为正极材料，且申请了多项专利。如CN201510188866.4一种可充电铝离子电池及其制备方法；CN201510269862.9一种非水溶液铝离子二次电池及其制备方法等。这类电池具有很好的循环性能，且正负极材料价钱低廉，这类电池可大规模应用，但是如何将应用后的废旧电池回收是亟待要解决的技术问题。目前，国内外有非常多有关石墨烯的制备方法，主要有物理方法和化学方法。物理方法是通过微机械剥离法、液相或者气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。化学方法包括化学气相沉积法(CVD)、晶体外延生长法(SiC高温退火)、氧化-还原法等。而氧化-还原法是实现大批量制备石墨烯的主要方法，但是这种方法需要浓硫酸、高锰酸钾等氧化剂，经常会在高温下进行，上述方法存在安全隐患，产生大量废液，造成环境污染。由此可见，为了铝离子二次电池的可持续发展，其电池的回收是亟待解决的技术问题；其次，现有的石墨烯的制备方法成本高、环境污染严重、安全性差。因而，采用电化学方法对废旧铝离子电池的正极石墨材料进行电解处理并得到高附加值的石墨烯，因其操作简便、不额外添加其他化学试剂等原因，是非常有前景的一种回收方式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：对铝离子电池正极材料做回收处理，利用铝离子电池的正极材料制备石墨烯，变废为宝。完整的电池提供了电解石墨类材料的通道，从而使电解液中的铝配合物离子持续不断的嵌入石墨层中，这种持续的配离子的嵌入会使纳米碳层间失去范德华力，进而剥离、分散，形成石墨烯。该方法工艺步骤简单、原料成本低。对铝离子电池的大规模产业化应用及回收起到了非常大的作用。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：利用废旧铝离子二次电池正极材料制备石墨烯的方法，包括以下步骤：步骤一.选取原料：采用石墨含量为40%以上的正极材料，电解液中含有铝配合物离子的废旧铝离子二次电池，备用；步骤二.电解：对步骤1选取好的废旧铝离子二次电池充入恒电流或恒电压进行电解，电解一定的时间，然后放电至0.3V，再进行充电，循环5次以上，完成电解，备用；步骤三：将经过步骤2处理的电池正极材料取出置于装有无水乙醇的烧杯中，超声波超声20-30分钟洗净，去除杂质后在鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯。进一步，所述电流电解的电流密度为10-500mAg-1；所述电压电解的电压为1.8V-2.7V。进一步，所述电解时间为2-60小时。进一步，所述的烘干温度为50-200℃。进一步，所述铝配合物离子为：[AlCl4]-或[Al2Cl7]-或二者的混合物。进一步，电解液的成分含有Al3+离子的非水溶液，含Al3+离子的非水溶液中包括卤化铝和离子液体，所述离子液体的阴离子包括F-，Cl-，Br-，I-，PF6-，CN-，SCN-，[N(CF3SO2)]-或[N(CN)2]-离子；阳离子包括咪唑嗡离子、吡啶嗡离子、吡咯嗡离子、哌啶嗡离子、吗啉嗡离子、季铵盐离子、季磷盐离子或叔硫盐离子。本专利技术的优点在于：本专利技术利用含石墨材料的铝离子电池，通过电解液中含有铝配合物离子在持续电解作用下，使配离子不断嵌入石墨层间，最终使石墨层分散剥离形成石墨烯。其工艺简单，成本较低，能够回收废旧铝离子二次电池，绿色环保。这种高效回收铝离子二次电池的方法对铝离子电池的工业化应用具有非常大的意义。附图说明图1为实施例4中铝离子二次电池2.3V下电解过程的曲线图。图2为实施例4中制备的石墨烯产品的透射电子显微镜的形貌图。图3为实施例7中铝离子二次电池2.0V下电解过程曲线图。具体实施方式本专利技术将通过具体实施例进行更详细的描述，但本专利技术的保护范围并不受限制于这些实施例。实施例1本专利技术要回收的铝离子二次电池的正极材料是高纯石墨片，电解液中含有铝配合物离子，将废旧铝离子电池恒流（电流密度10mAg-1）充电至2.3V，然后在2.0V下恒压电解石墨片2小时，后放电至0.3V，循环5次以上。拆下电池时其状态为未放电状态。将循环至少五次的电池拆卸，将电池正极材料用超声波超声20分钟洗净，去除杂质后在70℃鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯比例为20%。实施例2本专利技术要回收的铝离子二次电池的正极材料是高纯石墨片，电解液中含有铝配合物离子，将废旧铝离子电池恒流（电流密度100mAg-1）充电至2.3V，然后在2.5V下恒压电解石墨片4小时，后放电至0.3V，循环5次以上。拆下电池状态为未放电状态。将循环至少五次的电池拆卸，将电池正极材料用超声波超声40分钟洗净，去除杂质后在70℃鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯比例为30%。实施例3本专利技术要回收的铝离子二次电池的正极材料是高纯石墨片，电解液中含有铝配合物离子，将废旧铝离子电池恒流（电流密度500mAg-1）充电至2.3V，然后在2.7V下恒压电解石墨片6小时，后放电至0.3V，循环5次以上。拆下电池状态为未放电状态。将循环至少五次的电池拆卸，将电池正极材料用超声波超声60分钟洗净，去除杂质后在70℃鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯比例为35%。实施例4本专利技术要回收的铝离子二次电池的正极材料是高纯石墨片，电解液中含有铝配合物离子，将废旧铝离子电池恒流（电流密度10mAg-1）充电至2.3V，然后在2.3V下恒压电解石墨片10小时，后放电至0.3V，循环5次以上，其电解循环曲线如图1。拆下电池状态为未放电状态。将循环至少五次的电池拆卸，将电池正极材料用超声波超声20分钟洗净，去除杂质在80℃鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯比例为40%。请配合参阅图2所示，本专利技术得到的三层石墨烯材料的透射电子显微镜（TEM）的形貌图。实施例5本专利技术要回收的铝离子二次电池的正极材料是高纯石墨片，电解液中含有铝配合物离子，将废旧铝离子电池恒流（电流密度100mAg-1）充电至2.3V，然后在2.3V下恒压电解石墨片20小时，后放电至0.3V，循环5次以上。拆下电池状态为未放电状态。将循环至少五次的电池拆卸，将电池正极材料用超声波超声40分钟洗净，去除杂质在80℃鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯比例为45%。实施例6本专利技术要回收的铝离子二次电池的正极材料是高纯石墨片，电解液中含有铝配合物离子，将废旧铝离子电池恒流（电流密度200mAg-1）充电至2.3V，然后在2.3V下恒压电解石墨片40小时，后放电至0.3V，循环5次以上。拆下电池状态为未放电状态。将循环至少五次的电池拆卸，将电池正极材料用超声波超声60分钟洗净，去除杂质在80℃鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯比例为50%。实施例7本专利技术要回收的铝离子二次电池的正极材料是高纯石墨片，电解液中含有铝配合物离子，将废旧铝离子电池恒流（电流密度10mAg-1）充电至2.3V，然本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用废旧铝离子二次电池正极材料制备石墨烯的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一.选取原料：采用石墨含量为40%以上的正极材料，电解液中含有铝配合物离子的废旧铝离子二次电池，备用；步骤二.电解：对步骤1选取好的废旧铝离子二次电池充入恒电流或恒电压进行电解，电解一定的时间，然后放电至0.3V，再进行充电，循环5次以上，完成电解，备用；步骤三：将经过步骤2处理的电池正极材料取出置于装有无水乙醇的烧杯中，超声波超声20‑30分钟洗净，去除杂质后在鼓风干燥箱中烘干，得到石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种利用废旧铝离子二次电池正极材料制备石墨烯的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一.选取原料：采用石墨含量为40%以上的正极材料，电解液中含有铝配合物离子的废旧铝离子二次电池，备用；
步骤二.电解：对步骤1选取好的废旧铝离子二次电池充入恒电流或恒电压进行电解，电解一定的时间，然后放电至0.3V，再进行充电，循环5次以上，完成电解，备用；
步骤三：将经过步骤2处理的电池正极材料取出置于装有无水乙醇的烧杯中，超声波超声20-30分钟洗净，去除杂质后在鼓风干燥箱中烘干，得到石...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦树强，雷海萍，涂继国，王俊香，李海滨，
申请(专利权)人：北京金吕能源科技有限公司，甘肃鑫吕能源材料有限公司，北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11