一種正極為石墨烯復合電極的二次離子電池及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種正極為石墨烯復合電極的二次離子電池及制備方法,屬于二次電池領域。
【背景技術】
[0002]自從上個世紀九十年代以來,鋰離子二次電池便開始應用于人們的生活中。由于鋰離子電池比鎳鎘電池容量大、電壓高、能量密度高,環(huán)保,因而逐步取代了鎳鎘電池的市場。目前鋰離子電池已經成功應用于筆記本電腦、手機等日常用品中,以及各種軍事設備中。然而,鋰離子電池的缺點是其電解液耐高溫性能差、金屬鋰與高溫會爆炸。因此,在一些使用不當?shù)那闆r下,鋰離子電池會發(fā)生爆炸,從而引起事故。如何提高鋰離子電池安全性,已成為研發(fā)鋰離子二次電池的關鍵。
[0003]中國專利CN103825045公開了一種鋁離子電池及其制備方法,此鋁離子電池的正極為過渡族金屬氧化物、負極為高純鋁;該發(fā)明提高了電池的安全性能。不過該電池的放電電壓低于1伏,也遠低于目前商用的鋰離子二次電池,因此很難取代目前鋰離子二次電池在手機、電動車等領域的應用。
[0004]中國專利CN104241596A提出了一種可充電鋁離子電池及其制備方法,其正極采用石墨結構的碳材料,負極為高純鋁,電解液為無水氯化鋁和3-甲基咪唑類化合物的混合物。該發(fā)明采用鋁離子作為導電離子,避免了使用鋰離子,也由此規(guī)避了由于鋰離子引起的導電問題。不過該發(fā)明的電池的放電平臺在2.4V以下,比鋰離子電池的4.2V低很多,并且其循環(huán)次數(shù)低。
[0005]中國專利CN103915611A公開了一種水系鋁離子電池陽極材料及其制備方法,該材料由二氧化鈦納米樹葉組成,二氧化鈦納米樹葉的化學組成為T1uf^NH)。.,,平均長度為50nm,寬度為10nm,比表面積為314.2m2/g。該發(fā)明制備的電池能夠將循環(huán)次數(shù)提高到200次,不過其充放電電壓仍然較低,在2V以下,遠遠低于目前商用的鋰離子二次電池。
[0006]CN104183824A公開了一種二次鋁電池正極材料以及由該正極組成的二次鋁電池。所述二次鋁電池包括正極、含鋁負極和非水電解液。正極材料為石墨烯/醌類化合物的復合材料,其中醌類化合物為醌及相應的衍生物中的任一種,負極為金屬鋁或鋁合金,電解液為非水含鋁電解液。該電池采用鋁離子導電,不過其充放電電壓不超過2V,循環(huán)50次后容量衰減嚴重。
【發(fā)明內容】
[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足,本發(fā)明提供一種正極為石墨烯復合電極的二次離子電池及制備方法,能夠克服當前鋰離子電池的安全性問題,不會產生鋰離子二次電池的爆炸問題。
[0008]技術方案:為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的正極為石墨烯復合電極的二次離子電池,包括正極、負極、電解液和連接所述正極及負極的隔膜,所述正極為石墨烯-鎳的復合材料,其中鎳為納米顆粒鑲嵌于石墨稀中,鎳顆粒的直徑介于0.5微米到10微米之間;所述負極為招娃合金,其中娃的質量占招娃合金總質量的5-8% ;所述電解液為包含有Al3+、Cl、[EMIm]+構成的混合物,其中[EMIm] +與A1 3+摩爾比大于3:2,小于4:1。
[0009]作為優(yōu)選,所述石墨稀-鎳的復合材料厚度為50-2000微米,鎳的質量為復合材料總量在的1_20%。
[0010]作為優(yōu)選,所述負極除鋁硅之外的其他元素的質量含量總合小于0.1%,鋁硅合金的厚度為0.2-2毫米。
[0011]作為優(yōu)選,所述隔膜的厚度為10-50微米。
[0012]—種上述的正極為石墨烯復合電極的二次離子電池的制備方法,包括以下步驟:
[0013](1)將石墨粉加入裝有濃硫酸的容器中,容器置于冰浴中,攪拌均勻,再加入高錳酸鉀粉末,石墨粉與高錳酸鉀的質量之比為1:1.5-1: 2,保持溫度20°C以下攪拌均勻,將攪拌均勻后的溶液升溫到32?38°C后持續(xù)攪拌28?32分鐘,接著滴加速度小于5毫升/分鐘的向溶液中加入去離子水以及濃度為30%的雙氧水,并把混合物升溫到95°C?100°C并持續(xù)攪拌15分鐘,直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色;
[0014](2)在上述溶液中加入直徑介于0.5微米到10微米的鎳粉,鎳粉的質量少于石墨粉的1/5,在超聲分散儀中振蕩分散,得到穩(wěn)定的分散液,然后滴加水合肼5-10毫升并均勾攪拌,并將此溶液放入油浴中加熱到100°C后,恒溫反應30分鐘,然后用半透膜過濾,將得到的產物分別用去離子水、甲醇、乙醇交替洗滌4次,最后在60°C條件下充分干燥,得到的產物就是石墨烯-鎳復合薄片,用作正極;
[0015](3)將[EMIm]Cl與A1C13按一定比例混合均勻,得到電解液,其中[EMIm] +與A1 3+摩爾比大于3:2,小于4:1;
[0016](4)按照石墨烯與鎳復合片、隔膜、鋁硅合金的順序排列,其中石墨烯與鎳復合片為正極,鋁硅合金為負極,注入電解液并封裝,得到二次鋁離子電池。
[0017]有益效果:本發(fā)明的正極為石墨烯復合電極的二次離子電池,有較高的熱穩(wěn)定性,能夠克服當前鋰離子電池的安全性問題,不會產生鋰離子二次電池的爆炸問題,并且本發(fā)明制備的電池比已報道的二次離子電池的性能優(yōu)越。該電池的充放電平臺可以達到3.5V以上,循環(huán)壽命可以達到5000次以上,電池的能量密度可以達到90Wh/Kg以上。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019](1)將5克石墨粉加入裝有100毫升濃硫酸的容器中,容器置于冰浴中,攪拌30分鐘,此時溫度計顯示為0°C,緩慢加入9克高錳酸鉀粉末,攪拌均勻,并確保此過程中反應體系的溫度在20°C以下,然后將攪拌均勻后的溶液升溫到35°C持續(xù)攪拌30分鐘,接著緩慢的向溶液中加入100毫升去離子水以及10毫升濃度為30%的雙氧水,并把混合物升溫到98°C持續(xù)攪拌15分鐘,直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色;
[0020](2)在上述溶液中加入直徑10微米的鎳粉0.1克,在超聲分散儀中振蕩分散,得到穩(wěn)定的分散液,然后滴加的水合肼5毫升,滴加時均勻攪拌,并將此溶液放入油浴中加熱到100°C后,恒溫反應30分鐘,然后用半透膜過濾,將得到的產物分別用去離子水、甲醇、乙醇交替洗滌4次,最后倒入5Cm*2Cm*5Cm的模具中,在60°C條件下充分干燥,得到5cm*2cm*0.08cm尺寸的石墨稀_鎳薄片,作為電池的正極;
[0021](3)配制電解液:將[EMIm]Cl與A1C13按3:2的比例混合均勻;
[0022](4)準備PE隔膜,厚度為18微米;
[0023](5)準備負極片:其材料為鋁硅合金,其中硅的質量含量為8%,厚度為0.5毫米;
[0024](6)將以上材料按照石墨烯、PE隔膜、鋁硅合金的順序排列,其中石墨烯為正極,鋁硅合金為負極,注入電解液并封裝,得到二次離子電池;
[0025](7)電池測試:采用Land電化學測試系統(tǒng),測試得該電池的充放電平臺為3.9V,循環(huán)8000次后,其容量損失8%,電池的能量密度達到92Wh/Kg。
[0026]實施例2
[0027](1)將5克石墨粉加入裝有100毫升濃硫酸的容器中,容器置于冰浴中,攪拌30分鐘,此時溫度計顯示為0°C,緩慢加入9克高錳酸鉀粉末,攪拌均勻,并確保此過程中反應體系的溫度在20°C以下,然后將攪拌均勻后的溶液升溫到35°C持續(xù)攪拌30分鐘,接著緩慢的向溶液中加入100毫升去離子水以及10毫升濃度為30%的雙氧水,并把混合物升溫到98°C持續(xù)攪拌15分鐘,直到混合物顏色變?yōu)榱咙S色;
[0028](2)在上述溶液中加入直徑介于0.5微米的鎳粉0.1克,在超聲分散儀中振蕩分散,得到穩(wěn)定的分散液,然后滴加的水合肼8毫升,滴加時均勻攪拌,并將此溶液放入油浴中加熱到100°C后,恒溫反應30分鐘,然后用半透膜過濾,將得到的產物分別用去離子水、甲醇、乙醇交替洗滌4次,最后倒入5Cm*2Cm*5Cm的模具中,在60°C條件下充分干燥,得到5cm*2cm*0.005cm尺寸的石墨稀一鎳薄片,作為電池的正極;
[0029](3)配制電解液:將[EMIm]Cl與A1C13按2:1的比例混合均勻;
[0030](4)準備PE隔膜,厚度為38微米;
[0031](5)準備負極片:其材料為鋁硅合金,其中硅的質量含量為5.6%,厚度為0.2毫米;
[0032](6)將以上材料按照石墨烯、PE隔膜、鋁硅合金的順序排列,其中石墨烯為正極,鋁硅合金為負極,注入電解液并封裝,得到二次離子電池;
[0033](7)電池測試:采用Land電化學測試系統(tǒng),測試得該電池的充放電平臺為3.8V,循環(huán)10000次后,其容量損失9%,電池的能量密度達到95Wh/Kg。
[0034]實施例3
[0035](1)將