[发明专利]一种石墨烯-铝离子超级电池及其制备方法

说明书

本发明公开一种石墨烯‑铝离子超级电池，该超级电池以镓铟锡低熔点共熔体合金浸润的铝或铝合金作为电池阳极，以三维微孔结构石墨烯作为电池阴极，并采用(NH₂)₂CO/AlCl₃型离子液体作为电解液。同时，该发明还公开了一种石墨烯‑铝离子超级电池的制备方法，该发明最终实现低成本、产业化制备具有高容量、高能量密度、高功率密度、快速充放电(秒充秒放)、及超长的稳定充放电循环能力(百万次)的铝离子超级电池的目标。

技术领域

本发明涉及一种高性能石墨烯--铝离子初超级电池，具备高能量密度、高功率密度的可快速冲放电特性，属于电动汽车、电磁弹射、空间技术、智能电网和分布式能源系统等应用领域。

背景技术

目前工业化最成功的电池负极材料是石墨，但其仅有373mAh/g的理论容量，难以满足电动汽车、电磁弹射、未来空间技术、智能电网和分布式能源系统等领域对高能量密度、高功率密度电池的需求。锂离子电池已产业化二十多年，就能量密度而言，商用锂离子电池可达100～150Wh/kg，而铅酸和镍镉电池仅为20～40Wh/kg，镍氢电池为50～70Wh/kg；就功率密度而言，锂离子电池可达1800W/kg。然而，1)当放电速率较大时，锂离子电池容量下降较大，无法满足电动汽车、电磁弹射等的使用需求；2)锂离子电池存在严重的安全问题，在滥用或者误用的情况下，有爆炸的危险。目前可快速充电(1min快充)性能的铝离子电池，其循环充放电(7500次循环)性能比锂离子电池(100次循环)更稳定，且无爆炸的危险。然而，由于其采用石墨片作为阴极材料，其能量密度(40Wh/kg)及功率密度(3000W/kg)均较低。而石墨烯因其超高导电率和超大比表面积，其理论储能容量是石墨的两倍，高达744mAh/g。同时，石墨烯的超薄层状结构和其表面存在的纳米尺寸微孔可有效缩短离子的扩散距离，提高离子扩散速率，增加电极材料电活性位点、便于电解液渗透和离子运输，从而提高离子电池的倍率性能和循环性能。

铝是一种高密度的能量载体，其体积比容量为8.10Ah/cm3，电化学当量为2.98Ah/g。此外，金属铝来源广泛，储量丰富，价格低廉，无环境污染。以上优点使得铝成为开发电池的理想电极材料。铝电池虽研究较多，但却一直未能真正实现工业产业化，究其原因有三点：1)铝易形成致密氧化膜，使铝电极电位迅速下降；2)铝较活泼，易与介质发生严重的析氢反应；3)碱性介质中，铝阳极成流反应和腐蚀反应生成Al(OH)3，其降低电解液电导率且增加铝阳极极化，使铝电池性能恶化。

《自然—通讯》文中报道了一种利用天然石墨薄片作为阴极电极的铝离子电池，该电池性能表现优异，电容到达约110mAh/g，库伦效率约为98％。在6C倍率下，电池电容为60mAh/g，超过6000次充放电循环后库伦效率约为99％。另外，通过理论计算模拟研究了氯铝酸盐离子嵌入石墨层的行为机制。

《美国科学院院报》报导了使用氯化铝与尿素离子液体电解液的铝离子电池，该电池的库伦效率表现优异，能达到99.7％。在1.4C倍率下，电池容量为73mAh/g，可稳定充放电200次以上。氯化铝与尿素电解液的成本低廉，搭配天然石墨材料做为阴极，铝箔作为阳极，上述材料所构成的铝离子电池成本低，且具备优异电化学性能，让铝离子电池成为理想的电网储电系统。

目前铝离子电池已成为电化学储能电池领域的新研究热点，欧、美、日、韩、澳等科技发达国家皆有研究团队从事相关研究工作。在国内，包括山东科技大学的林孟昌教授、湖南大学的鲁兵安教授、北京科技大学焦树强教授、浙江大学高超教授、江西师范大学欧阳楚英教授等研究团队也陆续在2015年后发表数篇关于石墨作为阴极材料的研究论文。这些工作进一步推动了铝离子电池走向实用。