铝离子电池及其正极材料的制作方法

  技术领域

  本发明涉及新型电池领域,特别涉及一种铝离子电池及其正极材料。

  背景技术:

  目前,全世界对储能技术的研究热点都集中在高容量,高功率和低成本的电池,并利用地球丰富且环境友好的元素。大量的试验研究试图引入优化轻质金属例如金属铝和金属镁,以便降低整个储能系统重量和提高其能量密度。基于这种观点,在过去几年中对开发基于铝负极的电池的研究越来越多。铝是地壳中最丰富的金属元素,也是第三丰富的元素。铝相对于其他常见的化学电源用金属材料(锂和钠),有着明显的价格优势。在能量密度和充电性能方面,铝的质量比容量非常接近于锂(Al 2.98Ah g-1 对比 Li 3.86Ah g-1)。然而,Al的体积比容量为8.04 Ah cm-3,比锂的体积容量大约3倍。铝的比能量仅次于金属锂,但它具有最高的体积能量密度,这使得它有利于为体积受限系统供电。

  可充电铝离子电池目前已经得到开发,2015年斯坦福大学戴宏杰团队研发的“一分钟充满电”的新型铝离子电池,在《nature》杂志上发表,该电池正极采用热解石墨或泡沫石墨、负极采用金属铝、隔膜采用玻璃纤维、电解质采用1-乙基-3甲基咪唑,制备的电化学器件具有长寿命、可快速充电、低成本、安全性能好、不易燃等优点。该文献中采用的正极材料容量约为66 mA h/g(电流密度40000mA/g),放电平台约为1.5v,能量密度与铅酸电池相当;功率密度达3kW/kg,与超级电容器功率相当。由于热解石墨和泡沫石墨不仅制备工艺复杂,且成本高昂,生产出的活性材料由于密度低等原因,大大影响正极面密度,进而影响器件的能量密度,因此不是工业生产的最优选择。

  2017年浙江大学高超团队报道了一种利用石墨烯作为铝离子电池正极的文献,此种正极材料容量达100 mA h/g(5000 mA /g),该电池能量密度约60wh/kg,功率密度30kW/kg。并且,该课题组在文献(A Defect-Free Principle for Advanced Graphene Cathode of Aluminum-Ion Battery. Adv Mater 2017,29 (12).)中提出将石墨烯经高温处理后,减少原有结构缺陷,可大幅提升石墨烯作为铝离子电池正极材料的电池容量。但是,从石墨烯出发制备铝离子电池正极的最大缺点是工艺复杂,原材料成本高昂,因此开发出一种适合工业化应用的材料是当务之急。

  技术实现要素:

  发明目的:针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种铝离子电池及其正极材料,该正极材料中,插层物质可有效扩大石墨质材料的石墨层间距,使得该正极材料中可以储存更多的铝离子,制备得到的铝离子电池在质量容量和体积容量上均有大幅提升。

  技术方案:本发明提供了一种铝离子电池的正极材料,该正极材料为石墨层间化合物,由宿主材料和插层材料以摩尔比为0.1~10:1组成,所述宿主材料为石墨质材料,所述插层材料为能够进入到所述石墨质材料的石墨层SP2杂化轨道且区别于C原子的物质。