一种高性能的铝电池及制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种高性能的铝电池及制备方法，属于离子电池领域。
【背景技术】
[0002]从上个世纪九十年代工业界开始批量生产锂离子电池开始，在短短的数年间，锂离子电池便占领了移动设备的电源市场。当前，笔记本电脑、手机、电动工具等设备中使用的基本上都是液体电解质的锂离子二次电池，甚至电动自行车、电动汽车也开始采用锂离子电池。然而，由于锂是一种活波的金属，锂离子电池在使用的过程中会带来安全风险。事实上手机电池爆炸的事件时有发生。特别是当用在电动车、电动工具当中时，由于电池体积大、容量大，一旦发生事故，其危害性更大。人们开始考虑采用锂以外的元素作为导电粒子。
[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)0.024，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;该发明提高了电池的安全性能。不过该电池的放电电压低于I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。
[0006]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%。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高性能的铝电池及制备方法，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。
[0008]技术方案:为实现上述目的，本发明的高性能的铝电池，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烯中，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0.8，小于1.5。
[0009]作为优选，所述石墨烯-镍的复合材料厚度为50-2000微米，镍的质量为复合材料总量在的1-20 %。
[0010]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。
[0011]作为优选，所述隔膜的厚度为10-50微米。
[0012 ] —种上述的高性能的铝电池的制备方法，包括以下步骤:
[0013](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95°C?100°C并持续搅拌15分钟，直到混合物颜色变为亮黄色；
[0014](2)在上述溶液中加入直径介于0.5微米到10微米的镍粉，镍粉的质量少于石墨粉的I / 5，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毫升并均勾搅拌)，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；
[0015](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+摩尔比大于大于0.8，小于1.5;
[0016](4)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，便得到高性能的铝电池。
[0017]有益效果:本发明的高性能的铝电池，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】
[0018](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，接着缓慢的向溶液中加入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；
[0019](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，滴加时均匀搅拌，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*0.036cm尺寸的石墨烯-镍薄片，作为电池的正极；
[0020](3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按摩尔比[EMIm]Cl/AlCl3 = 0.8的比例混合均匀；
[0021](4)准备PP隔膜，厚度为50微米；
[0022](5)准备负极片:其材料为高纯铝，厚度为0.55毫米；
[0023](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，得到铝电池。
[0024](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3.6V，循环8000次后，其容量损失7%，电池的能量密度达到104Wh/Kg。
[0025]实施例2
[0026](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，接着缓慢的向溶液中加入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；
[0027](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8毫升，滴加时均匀搅拌，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*
0.093cm尺寸的石墨烯一镍薄片，作为电池的正极；
[0028](3)配制电解液:将[EMIm]Cl与AlCl3按摩尔比[EMIm]Cl/AlCl3=1.5的比例混合均匀；
[0029](4)准备PE隔膜，厚度为38微米；
[0030](5)准备负极片:其材料为高纯铝，厚度为1.4毫米；
[0031](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。
[0032](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3.5V，循环10000次后，其容量损失9%，电池的能量密度达至ljl08Wh/Kg。
[0033]实施例3
[0034](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