一种铝离子电池负极材料、制备方法及其应用

本发明涉及一种铝离子电池负极材料、制备方法及其应用，属于铝离子电池。

背景技术：

1、为了满足低成本，对环境友好，高能量密度二次电池系统的需求，研究人员近年来对新的二次电池材料和体系进行了广泛的研究。在所有的金属材料中，金属铝材料引起了研究人员的注意，其最外层有三个自由电子，电化学当量是2.98 ah/g，体积比容量为8046mah/cm3，而金属铝的储量丰富，成本低廉，环境污染比较少，容易加工和塑形，因此金属铝是一种理想的电池电极材料。

2、但是，金属铝表面存在一层氧化铝薄膜，导致纯铝难以与外界接触，阻止了铝金属的反应，且极化电压较高。但是若将金属铝表层的氧化铝保护层完全去除，则金属铝易发生腐蚀，使电池的寿命也随之下降。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝离子电池负极材料、制备方法及其应用。通过离子液体和碳基材料来处理铝负极，可以有效的在铝表面形成活性位点；离子液体具有路易斯酸性，因此能够除去金属铝表面的氧化层，而碳基材料是一种成本低廉、耐腐蚀、导电性好的活性材料，通过包覆从而在金属铝表面形成一层保护层，并暴露一定的活性位点，使铝的沉积/溶解能在活性位点上发生，即防止离子液体对铝金属的腐蚀，又制了枝晶的生长，防止电池短路，有效提高铝二次电池的循环稳定性。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

3、一种铝离子电池负极材料的制备方法，方法步骤包括：

4、对铝片进行清洁、烘干后，置于氯化铝型离子液体中浸泡12~36h，得到预处理后的铝片，在与处理后的铝片表面包覆一层厚度为25~100μm的碳基材料，得到一种铝离子电池负极材料。

5、优选的，对所述铝片进行清洁时，首先在乙醇和去离子水中超声，然后水洗。

6、优选的，所述氯化铝型离子液体为1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓（emic）和氯化铝的混合物，1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓和氯化铝的摩尔比为1:1.2~1.4。更优选的，1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓和氯化铝的摩尔比为1:1.3。

7、优选的，所述碳基材料为石墨基碳材料、硬碳材料或mof材料。更优选的，所述碳基材料为石墨、cmk-3、中间相碳微球或zif-8。

8、优选的，所述碳基材料的厚度为40~60μm。

9、优选的，所述碳基材料的粒径为10~20μm。

10、优选的，所述碳基材料通过涂覆的方式进行包覆。

11、优选的，将所述碳基材料与粘结剂混合后涂覆于预处理后的铝片表面形成包覆层。

12、优选的，所述粘结剂为聚偏二氟乙烯（pvdf），碳基材料与pvdf的质量比为8:2~9:1。

13、一种铝离子电池负极材料，所述材料通过以上方法制备得到。

14、优选的，所述材料中铝片表面的活性位点可控直径为1~2μm，活性位点的面积占铝片表面面积的30%~50%。

15、一种铝离子电池负极材料的应用，所述材料作为铝离子电池的负极材料使用。

16、所述电池的正极材料可以为氧化物、硫化物、硒化物、碳材料或可使用在铝离子电池中的正极材料中的任意一种。

17、有益效果

18、本发明提供了一种铝离子电池负极材料及其制备方法，从金属铝的活化、寿命以及电压行为等几个方面综合考虑，经过离子液体和碳基材料处理过的铝片表现良好，该方法既能将铝金属活化，除去表面部分的氧化铝，在铝片表面形成活性位点，同时在同样的测试条件下，其极化电压低于其他未理过的铝片，在充放电测试结束后，铝片表面的形貌基本上没有发生改变，在金属铝的活化和抗腐蚀之间达到了一个良好的平衡点，所以也保证了金属铝负极的寿命比较长，电化学性质稳定性能好。体系为主的铝离子电池的优化提供了更高的可能性。

19、通过离子液体和碳基材料处理过的铝片，可以显著提高铝离子电池的循环性能，由于反应发生的通道在活性位点上，因此也可以有效地抑制铝枝晶的产生。并且在处理铝片的过程中，所使用的离子液体可以循环利用，不会造成资源浪费。

20、本发明所述方法中需要严格控制铝片在氯化铝型离子液体中的浸泡时间，当铝片在离子液体中浸泡时间小于12h时，铝片表面未观测到腐蚀坑，表明铝片表明的氧化膜未被溶解，活性位点较少。当铝片在离子液体中浸泡时间大于36h时，铝片表明出现大量的腐蚀坑，表明铝片表面氧化膜基本被完全溶解。

21、本发明所述方法中需要严格控制碳基材料的包覆厚度，当包覆层的厚度小于25μm时，组装的铝对称电池的过电位较低，但循环寿命较短。当包覆层厚度大于100μm时，组装的铝对称电池的过电位较高，循环寿命较长。包覆层越薄，过电位越低，循环寿命越短；包覆层越厚，过电位越高，循环寿命约短。

技术特征：

1.一种铝离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：方法步骤包括：

2.如权利要求1所述的一种铝离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：对所述铝片进行清洁时，首先在乙醇和去离子水中超声，然后水洗。

3.如权利要求1所述的一种铝离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述氯化铝型离子液体为1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓和氯化铝的混合物，1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓和氯化铝的摩尔比为1:1.2~1.4。

4.如权利要求1所述的一种铝离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳基材料为石墨基碳材料、硬碳材料或mof材料；

5.如权利要求4所述的一种铝离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳基材料为石墨、cmk-3、中间相碳微球或zif-8。

6.如权利要求1所述的一种铝离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳基材料通过涂覆的方式进行包覆；

7.如权利要求6所述的一种铝离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为聚偏二氟乙烯，碳基材料与聚偏二氟乙烯的质量比为8:2~9:1。

8.一种铝离子电池负极材料，其特征在于：所述材料通过权利要求1~7任意一项所述方法制备得到。

9.如权利要求8所述的一种铝离子电池负极材料，其特征在于：所述材料中铝片表面的活性位点可控直径为1~2μm，活性位点的面积占铝片表面面积的30%~50%。

10.一种如权利要求8或9所述的铝离子电池负极材料的应用，其特征在于：所述材料作为铝离子电池的负极材料使用。

技术总结
本发明涉及一种铝离子电池负极材料、制备方法及其应用，属于铝离子电池技术领域。通过离子液体和碳基材料来处理铝负极，可以有效的在铝表面形成活性位点；离子液体具有路易斯酸性，因此能够除去金属铝表面的氧化层，而碳基材料是一种成本低廉、耐腐蚀、导电性好的活性材料，通过包覆从而在金属铝表面形成一层保护层，并暴露一定的活性位点，使铝的沉积/溶解能在活性位点上发生，即防止离子液体对铝金属的腐蚀，又制了枝晶的生长，防止电池短路，有效提高铝二次电池的循环稳定性。

技术研发人员：吴川,吴锋,李雨,龙博,白莹
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15