本發(fā)明涉及鋁離子電池，尤其是涉及一種可充放電鋁離子電池及其制備工藝。

背景技術：

鋰離子電池一直被認為是最有前景的電化學儲能體系之一，因為它能量密度高、循環(huán)壽命長、工作電勢高。但近年來隨著鋰離子電池的大范圍推廣和應用，鋰資源面臨枯竭，價格更是逐年攀升。其次，它使用常見的有機電解液，易燃易爆，安全性差。再者，其體積比能量密度低。而鋁資源豐富，每年開采量是鋰的1000多倍，價格低廉。并且使用離子液體作為電解液，離子液體蒸氣壓低、無可燃性等優(yōu)點極大提升了鋁離子電池的安全性能，再者，鋁負極的體積比能量密度遠遠高于鋰，外加鋁離子電池還有可彎折性強、對環(huán)境友好等優(yōu)點，因此對于未來的可穿戴設備電池，易發(fā)生碰撞危險易燃易爆的汽車電池，大規(guī)模智能電網(wǎng)儲能等領域，鋁離子電池都有極大的應用前景和應用價值。

目前，鋁離子電池研究仍處于初期階段，正極材料可挑選范圍窄，在已報道過的鋁離子電池正極材料中，如嵌脫機理型材料泡沫石墨(lin,m.c.etal.anultrafastrechargeablealuminium-ionbattery[j].nature,2015)，研究采用熱解石墨和三維泡沫石墨作為鋁離子電池正極材料，循環(huán)性能雖然優(yōu)異，但其比容量低，致使體系的體積比能量低。又如轉化機理型材料fes2(文獻:mori,t.etal.discharge/chargereactionmechanismsoffes2cathodematerialforaluminumrechargeablebatteriesat55℃.journalofpowersources，2016)，雖然其比容量高，但是循環(huán)性能不好。因此，開發(fā)高比容量、長循環(huán)壽命的鋁離子電池正極材料顯得尤為重要。

但是迄今為止的專利及文獻尚未報道關于li3vo4-碳基復合材料作為正極及用這種正極的鋁離子電池。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可充放電鋁離子電池及其制備工藝。

所述可充放電鋁離子電池包括電池正極、電池負極、含鋁離子非水系電解液、在電解液中表現(xiàn)電化學惰性的金屬箔片集流體、連接所述正極和負極的隔膜；所述電池正極為li3vo4-碳基復合材料，電池負極為金屬鋁或其合金。

所述li3vo4-碳基復合材料中碳含量按質量百分比可為10％～30％；所述碳基材料可選自碳納米管、碳納米纖維、石墨烯、無定形碳等中的至少一種；

所述li3vo4-碳基復合材料的制備方法如下：配制v2o5和li2co3溶液，將v2o5和li2co3溶液混合，加入碳基材料，磁力攪拌4h后，將所得溶液置于噴霧干燥機內(nèi)進行噴霧干燥，隨后將所得粉體在550℃下煅燒4～7h獲得li3vo4-碳基復合材料。

所述負極材料為純度大于90％的金屬鋁或金屬鋁與銅、銀、鎳、鉛、錫、鉍、鐵形成的合金。

所述含鋁離子非水系電解液包括鹵化鋁和離子液體，所述鹵化鋁和離子液體的摩爾比為(1.1～2)︰1；所述離子液體的陰離子包括cl^-，br^-，i^-，pf6^-，bf6^-，cn^-，scn^-，[n(cf3so2)2]^-或[n(cn)2]^-等離子；所述離子液體的陽離子包括咪唑鎓離子，吡啶鎓離子，吡咯鎓離子，哌啶鎓離子，嗎啉鎓離子，季銨鹽離子，季磷鹽離子或叔硫鹽離子等。

所述惰性金屬箔片集流體包括鉭片、鈮片、鉬片、鈦片、不銹鋼片、金及鉑族金屬等。

所述連接所述正極和負極的隔膜包括但不限于聚烯烴類，所述聚烯烴類可選自聚乙烯和聚丙烯、玻璃纖維濾紙、陶瓷材料等中的一種。

所述可充放電鋁離子電池的制備工藝包括以下步驟：

1)將li3vo4-碳基復合材料、導電材料、粘結劑按照比例分別稱取均勻混合，制成活性材料漿料均勻地涂抹在惰性金屬集流體上，在60～100℃烘箱中烘干，制成厚度為0.5～2mm片狀復合正極材料；

2)將厚度為0.1～1mm的金屬鋁或鋁合金，用細砂紙打磨雙面，用無水乙醇清洗后，干燥，即得到負極材料；

3)將離子液體在真空干燥箱80～150℃下干燥12h，隨后鹵化鋁和離子液體以摩爾比為(1.1～2)︰1在氬氣環(huán)境的手套箱內(nèi)混合，室溫磁力攪拌0.5h，即配制成含有可自由移動的含鋁離子非水溶液電解液；

4)最后將步驟1)得到的正極材料步驟2)得到的負極材料與步驟3)得到的含鋁離子非水溶液電解液以及隔膜在手套箱中組裝完成，得到鋁離子軟包電池或者扣式電池，即li3vo4-碳基復合材料為正極的鋁離子電池；

5)電池組裝好后，靜置12～20h后再進行充放電測試。

本發(fā)明采用一種li3vo4-碳基復合材料為正極的鋁離子電池，其電化學比容量高、循環(huán)性能優(yōu)異，該鋁離子電池可廣泛應用于電子通訊、電動汽車等眾多領域。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：使用li3vo4-碳基復合材料作為正極材料，高純鋁或含鋁合金作為負極材料，構成了一種可充放電的鋁離子電池。由于本發(fā)明對正負極材料、隔膜、集流體以及電解液等通過實驗研究進行了精細的選擇，并結合上述所提到的制備方法，所以本發(fā)明可總結出如下特點：提出了一種新型多價離子電池，即鋁離子電池體系；鋁資源儲量豐富，每年開采量是鋰的1000多倍，價格低廉，大大降低了電池的制備成本；li3vo4-碳基復合材料易于合成，成本低廉，且對環(huán)境友好，故在電化學儲能領域有極大的應用前景；離子液體作為一種新型的鋁離子電池電解液，具有電化學窗口寬、離子電導率高、無可燃性等優(yōu)點；本發(fā)明所提供的鋁離子電池具有比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好、原材料便宜且對環(huán)境友好等優(yōu)點，其首圈放電比容量高達137mahg^-1，循環(huán)100cycle后，放電比容量為47mahg^-1，具有較高的循環(huán)穩(wěn)定性。本發(fā)明的鋁離子電池可應用于多種領域，如電子通訊、電動汽車等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制備的鋁離子電池第一圈的循環(huán)伏安測試曲線。

圖2為本發(fā)明實施例1制備的鋁離子電池第一圈充放電測試曲線。

圖3為本發(fā)明實施例1制備的鋁離子電池前100圈循環(huán)性能測試曲線。

具體實施方式

本發(fā)明下面將通過具體實施例進行更詳細的描述，但本發(fā)明的保護范圍并不受限于這些實施例。

【實施例1】

本實施例的鋁離子電池正極材料采用如下方法制得：配制v2o5和li2co3溶液，按摩爾比為3:1將v2o5溶液和li2co3溶液混合，加入0.9g葡萄糖，室溫磁力攪拌4h后，將所得溶液置于噴霧干燥機內(nèi)進行噴霧干燥，隨后將所得粉體在550℃下煅燒5h獲得li3vo4-無定形碳復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。由圖2及圖3可知，采用li3vo4-碳基復合材料為正極的鋁離子電池其首圈放電比容量高達137mahg^-1，循環(huán)100cycle后，放電比容量為47mahg^-1。從循環(huán)伏安測試可以看出，其過程包括一對可逆的氧化還原峰，見圖1。

【實施例2】

本實施例的鋁離子電池正極材料采用如下方法制得：配制v2o5和li2co3溶液，按摩爾比為3︰1將v2o5溶液和li2co3溶液混合，加入0.5g已處理過的碳納米管(cnt)，室溫磁力攪拌4h后，將所得溶液置于噴霧干燥機內(nèi)進行噴霧干燥，隨后將所得粉體在550℃下煅燒5h獲得li3vo4-cnt復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。

【實施例3】

本實施例的鋁離子電池正極材料采用如下方法制得：配制v2o5和li2co3溶液，按摩爾比為3︰1將v2o5溶液和li2co3溶液混合，加入0.9g葡萄糖和0.5g已處理過的碳納米管，室溫磁力攪拌4h后，將所得溶液置于噴霧干燥機內(nèi)進行噴霧干燥，隨后將所得粉體在550℃下煅燒5h獲得li3vo4-無定形碳-cnt復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。

【實施例4】

本實施例的鋁離子電池正極材料采用如下方法制得：配制v2o5和li2co3溶液，按摩爾比為3︰1將v2o5溶液和li2co3溶液混合，加入0.5g石墨烯，室溫磁力攪拌4h后，將所得溶液置于噴霧干燥機內(nèi)進行噴霧干燥，隨后將所得粉體在550℃下煅燒5h獲得li3vo4-石墨烯復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。

【實施例5】

本實施例的鋁離子電池正極材料采用如下方法制得：配制v2o5和li2co3溶液，按摩爾比為3︰1將v2o5溶液和li2co3溶液混合，加入0.5g碳納米纖維(cnf)，室溫磁力攪拌4h后，將所得溶液置于噴霧干燥機內(nèi)進行噴霧干燥，隨后將所得粉體在550℃下煅燒5h獲得li3vo4-cnf復合材料。將該材料與導電劑乙炔黑、粘結劑聚偏二氟乙烯(pvdf)按照質量比7︰2︰1混合研磨均勻，用n-甲基吡咯烷酮(nmp)調漿，充分攪拌均勻，涂覆于大小合適的不銹鋼網(wǎng)上(厚度0.01mm)，在真空烘箱80℃下烘干過夜，制作成正極極片。高純鋁片雙面用細砂紙打磨，用乙醇浸泡1～2h后烘干，裁剪成大小合適的片狀作為負極。將無水氯化鋁和1-乙基-3-甲基-氯化咪唑鎓按摩爾比為1.3︰1在氬氣環(huán)境的手套箱配制成鋁離子電池電解液。將pe膜作為隔膜。最后把準備好的正極、負極、隔膜及電解液在手套箱內(nèi)組裝成軟包鋁離子電池。電池裝好16h后，在0.05～0.95v之間進行充放電測試。