一种高循环性能的二次铝离子电池及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高循环性能的二次铝离子电池及制备方法，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；所述负极为铝锰合金，其中Mn的质量占铝锰合金总质量的3-8％；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3：2，小于4：1。本发明专利技术的高循环性能的二次铝离子电池，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，并且本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及涉及高循环性能的二次铝离子电池及制备方法，属于离子电池领域。
技术介绍
近年来，铝离子电池逐渐引起人们的关注。因为相对于锂离子而言，铝离子是一种比较安全的离子。锂离子在电池中会析出金属锂，从而导致电池不安全；然而铝离子不会产生金属铝或其他的易燃易爆的产品。当前，关于铝离子的配方、容量、放电电压、循环寿命等性能，都进行了大量的研究。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。该专利技术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CN101937994A提供了一种锂离子电池的石墨烯/铝复合负极材料及其制备方法，所述的负极材料由石墨烯与铝按质量比为1∶0.1～100组成，容量达600～1200mAh/g。所专利技术的电池在1-500mA/mg的电流密度下，充放电1-100个循环进行熟化，熟化后得到锂离子电池石墨烯/铝负极材料。不过该电池的放电平台在1V以下，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；该专利技术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％。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种高循环性能的二次铝离子电池及制备方法，采用铝离子作为导电离子，排除电池中存在的锂元素，不会产生锂离子二次电池的爆炸问题。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种高循环性能的二次铝离子电池，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；所述负极为铝锰合金，其中Mn的质量占铝锰合金总质量的3-8％；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3：2，小于4：1。作为优选，所述石墨烯的厚度为50-2000微米。作为优选，所述铝锰合金中锰、铝以外的其他杂质元素的质量含量总合小于0.1％，铝锰合金厚度为0.2-2毫米。作为优选，所述隔膜的厚度为10-50微米。一种上述的高循环性能的二次铝离子电池的制备方法，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，再加入的高锰酸钾粉末，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35℃持续搅拌30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98℃持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；(2)将上述溶液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，滴加速度小于5毫升/分钟，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，作为电池的正极；(2)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3：2，小于4：1；(3)按照石墨烯、隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝锰合金为负极，注入电解液并封装，便得到铝电池。有益效果：本专利技术的高循环性能的二次铝离子电池，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，并且本专利技术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。具体实施方式实施例1(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4毫升/分钟的向溶液中加入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)将上述溶液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6毫升，滴加速度4毫升/分钟，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*0.153cm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5：2的比例混合均匀；(4)准备PP隔膜，厚度为10微米；(5)准备负极片：其材料为铝锰合金，其中锰的质量含量为3％，厚度为2毫米；(6)将以上材料按照石墨烯、PE隔膜、铝锰合金的顺序排列，其中石墨烯为正极，铝锰合金为负极，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9000次后，其容量损失8％，电池的能量密度达到117Wh/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10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3.5毫升/分钟的向溶液中加入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)将上述溶液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6毫升，滴加速度4毫升/分钟，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高循环性能的二次铝离子电池，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；所述负极为铝锰合金，其中Mn的质量占铝锰合金总质量的3‑8％；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3：2，小于4：1。

【技术特征摘要】
1.一种高循环性能的二次铝离子电池，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；所述负极为铝锰合金，其中Mn的质
量占铝锰合金总质量的3-8％；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3：2，小于4：1。
2.根据权利要求1所述的高循环性能的二次铝离子电池，其特征在于：所述石墨
烯的厚度为50-2000微米。
3.根据权利要求2所述的高循环性能的二次铝离子电池，其特征在于：所述铝锰
合金中锰、铝以外的其他杂质元素的质量含量总合小于0.1％，铝锰合金厚度为0.2-2毫
米。
4.根据权利要求3所述的高循环性能的二次铝离子电池，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所述的高循环性能的二次铝离子电池的制备方法，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫国，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32