一种复合电极构成的高性能铝离子电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合电极构成的高性能铝离子电池及其制备方法，属于二次离子电池技术领域。
【背景技术】
[0002]铝电池，就是采用铝元素作为导电粒子的电池。由于不存在类似锂离子电池的爆炸等安全性问题，也没有镍镉电池的重金属污染等问题，在逐渐强调安全与环保的今天，铝电池有潜力成为下一代的绿色电池。
[0003]中国专利CN104241596A提出了一种可充电铝离子电池及其制备方法，其正极采用石墨结构的碳材料，负极为高纯铝，电解液为无水氯化铝和3-甲基咪唑类化合物的混合物。该发明采用铝离子作为导电离子，避免了使用锂离子，也由此规避了由于锂离子引起的导电问题。不过该发明的电池的放电平台在2.4V以下，比锂离子电池的4.2V低很多，并且其循环次数低。
[0004]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T1l.976(NH)Q.024，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2/g。该发明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。
[0005]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。所发明的电池在l-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IV以下，远低于目前商用的锂离子二次电池。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复合电极构成的高性能铝离子电池及其制备方法，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。
[0007]技术方案:为实现上述目的，本发明的复合电极构成的高性能铝离子电池，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-镍的复合材料，其中镍为纳米颗粒镶嵌于石墨稀中，镍颗粒的直径介于0.5微米到10微米之间；所述负极为高纯铝;所述电解液为包含有A13+、C1—、[EMIm]+构成的混合物，其中[EMIm]+与Al3+摩尔比大于3:2，小于4:1。
[0008]作为优选，所述石墨烯-镍的复合材料厚度为50-2000微米，镍的质量分数少于复合材料总质量的20 %。
[0009]作为优选，所述高纯铝中杂质元素的质量含量总合小于0.1%，高纯铝厚度为0.2-2毫米。
[0010]作为优选，所述所述隔膜的厚度为10-50微米。
[0011]—种上述的复合电极构成的高性能铝离子电池的制备方法，包括以下步骤:
[0012](I)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°C以下搅拌均匀，将搅拌均匀后的溶液升温到32?38°C后持续搅拌28?32分钟，接着每分钟少于5毫升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95°C?100°C并持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色()；
[0013](2)在上述溶液中加入直径介于0.5微米到10微米的镍粉，镍的质量少于石墨粉的20 %，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5-10毫升，滴加速度每分钟少于5毫升，并将此溶液放入油浴中加热到100°C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°C条件下充分干燥，得到的产物就是石墨烯-镍复合薄片，用作正极；
[0014](3)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;
[0015](3)按照石墨烯-镍复合薄片、隔膜、高纯铝的顺序排列，其中石墨烯-镍复合薄片为正极，高纯铝为负极，注入电解液并封装，便得到铝离子二次电池。
[0016]镍的加入改变了能级结构，使充放电更容易进行，充分发挥了石墨烯的导电、高比强度等特点等等，
[0017]有益效果:本发明的复合电极构成的高性能铝离子电池，具有较高的热稳定性，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3.7V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95Wh/Kg以上。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0019]实施例1
[0020](I)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°C，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°C以下，然后将搅拌均匀后的溶液升温到35°C持续搅拌30分钟，接着以每分钟4毫升的向溶液中加入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°C持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
[0021](2)在上述溶液中加入直径10微米的镍粉0.1克，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5毫升，滴加速度每分钟4毫升，并将此溶液放入油浴中加热到100°C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°C条件下充分干燥，得到5cm*2cm*0.015cm尺寸的石墨烯-镍薄片，作为电池的正极，
[0022](3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按4:1的比例混合均匀；
[0023](4)准备PP/PE/PP隔膜，厚度为20微米；
[0024](5)准备负极片，其材料为高纯铝，厚度为1.4毫米；
[0025](6)将以上材料按照石墨烯-镍薄片、PE隔膜、高纯铝的顺序排列，其中石墨烯为正极，高纯铝为负极，注入电解液并封装，得到铝离子二次电池；
[0026]得到的铝离子二次电池采用Land电化学测试系统，测试得该电池的充放电平台为3.95V，循环8000次后，其容量损失8%，电池的能量密度达到95Wh/Kg。
[0027]实施例2
[0028](I)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°C，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°C以下，然后将搅拌均匀后的溶液升温到35°C持续搅拌30分钟，接着以每分钟4.5毫升的向溶液中加入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°C持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色。
[0029](2)在上述溶液中加入直径介于0.5微米的镍粉0.1克，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，滴加速度每分钟4.5毫升，并将此溶液放入油浴中加热到100°C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°C条件下充分干燥，得到5011*2011*0.120]1尺寸的石墨稀一镍薄片，作为电池的正极；
[0030](3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按3: I的比例混合均匀；
[0031](4)准备PE隔膜，厚度为38微米；
[0032](5)准备负极片:其材料为高纯铝，厚度为0.2毫米；
[0033](6)将以上材料按照石墨烯一镍薄片、PE隔膜、高纯铝的顺序排列，其中石墨烯为正极，高纯铝为负极，注入电解液并封装，得到铝离子二次电池；
[0034](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3.9V，循环10000次后，其容量损失9%，电池的能量密度达至ljl02Wh/Kg。
[0035]实施例3
[0036](I)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°C，缓慢加入9克高锰酸钾粉末，