[发明专利]一种膨胀石墨正极材料及其制备方法、电极和铝离子电池

说明书

本发明提供了一种膨胀石墨正极材料及其制备方法、电极和铝离子电池，涉及铝离子电池技术领域。本发明提供的膨胀石墨正极材料由不规则的石墨烯薄片组成，石墨烯薄片的厚度为0.05～0.09微米；所述膨胀石墨烯正极材料为介孔材料，比表面积为35～65m²/g；所述膨胀石墨烯正极材料的I_D/I_G值为0.0314～0.0687。本发明通过控制膨胀石墨正极材料的石墨化程度、石墨烯薄片厚度以及比表面积，能够使AlCl₄^‑更好的可逆脱嵌，获得较好的电化学性能。

技术领域

本发明涉及铝离子电池技术领域，具体涉及一种膨胀石墨正极材料及其制备方法、电极和铝离子电池。

背景技术

随着便携式电子设备、电能存储设备、电动汽车等领域的飞速发展，二次电池的需求不断增加。锂离子电池(LIBs)因其独特的优势，成为商业化最成功、应用最广的储能装置。然而，由于锂资源的稀缺、锂的易燃和毒性大等缺点将会限制其未来在大规模绿色储能领域的应用。因此，亟需开发其他可充电金属离子电池，如钠、钾、镁和铝等离子电池被认为是锂离子的可行替代品。其中，铝是地壳中第三丰富的元素，资源充沛；铝片负极可在大气中进行处理，空气稳定性良好，且铝离子电池中使用的电解液-室温离子液体(RTILs)不挥发、不易燃，可降低潜在的安全隐患；此外，相对于Li⁺转移单个电子，理论上Al³⁺能转移三个电子，将获得更高的容量和优良的能量密度。综上，铝离子电池(AIBs)是一种极具前景的新型电池系统。

目前，各种类型的AIBs正极材料已经被广泛开发，如碳材料(CVD石墨泡沫、电化学剥离石墨泡沫、热解石墨、天然石墨、石墨烯)、硫系化合物和Mxene等。其中，碳材料是很有发展前途的材料适用于快速充电和长时间循环。石墨烯作为AIBs正极材料具有高容量和长寿命，然而因石墨烯制造工艺复杂，化学还原和高温退火过程消耗能源，其是一种成本相对较高的材料。石墨碳正极材料是实现AIBs大规模应用和工业化的理想选择。其中，CVD和电化学剥离的石墨泡沫仅有毫克级的生产率，这使得它们难以满足电池制造的千克级和低成本要求。相比之下，热解石墨和天然石墨正极材料具有较好的成本效益，但作为AIBs的正极材料速率能力和循环寿命都存在不足。因此，寻找一种满足高性能、低成本的石墨碳材料至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膨胀石墨正极材料及其制备方法、电极和铝离子电池，本发明提供的膨胀石墨正极材料价格低廉，通过简单地热处理即可得到，很好地应用于铝离子电池领域；所组装的铝离子电池具有较高的放电比容量及优异的循环稳定性，为铝离子电池正极材料的设计提供了一种新思路。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种膨胀石墨正极材料，所述膨胀石墨正极材料由不规则的石墨烯薄片组成，石墨烯薄片的厚度为0.05～0.09微米；所述膨胀石墨烯正极材料为介孔材料，比表面积为35～65m²/g；所述膨胀石墨烯正极材料的I_D/I_G值为0.0314～0.0687。

优选地，所述膨胀石墨正极材料的形貌呈蠕虫状。

本发明提供了上述技术方案所述膨胀石墨正极材料的制备方法，包括以下步骤：

将可膨胀石墨进行研磨，得到膨胀石墨粉末；

将所述膨胀石墨粉末进行热处理，得到膨胀石墨正极材料。

优选地，所述可膨胀石墨的膨胀率为200～500％。

优选地，所述可膨胀石墨的纯度为99％以上；所述可膨胀石墨的平均粒度为50～325目。

优选地，所述研磨的时间为5～60min。

优选地，所述热处理的温度为500～800℃，时间为5～30min。