[发明专利]一种单晶铝锰氧化物正极材料及其制备方法与应用和一种铝离子电池

说明书

本发明提供了一种单晶铝锰氧化物正极材料及其制备方法与应用和一种铝离子电池，属于铝离子电池及其材料技术领域。本发明采用机械化学法与高温烧结的制备方法制备出单晶铝锰氧化物正极材料。本发明的制备方法工艺简单，适合大规模化生产；本发明提供的正极材料的通式为Alsubgt;x/subgt;MnOsubgt;4/subgt;(2/3≤x2)，晶系为立方晶系，具有高容量、长循环、低成本、易制备等优势；本发明提供的铝离子电池具有高工作电压、高容量和较好的循环稳定性，可以用作宽温域储能器件。

技术领域

本发明涉及铝离子电池及其材料技术领域，尤其涉及一种单晶铝锰氧化物正极材料及其制备方法与应用和一种铝离子电池。

背景技术

化石燃料的日益枯竭以及随之而来的对环境的可怕影响，推动了生态友好和可持续发展的可再生能源的开发，然而，可再生能源的间歇性、不确定性、分散性等性质限制了其在电网供应中的大规模应用，这些可再生能源存在大量的浪费和自损耗问题，促进多功能应用的能源储存系统的发展。虽然锂离子电池是最成功的储能系统之一，但其低安全性与易燃的有机电解质和有限的锂资源，严重阻碍了能源储存系统的发展。在这种背景下，高能量和低成本的可充电电池仍然需要广泛探索。其中，铝离子电池(AIBs)具有明显的优势，因为Al的理论容量高(8040mAh/cm³和2980mAh/g)，地壳中铝元素含量丰富(8.3％)，近几年来已经被研究人员重点关注。

正极材料是铝离子电池至关重要的组成部分，决定了铝离子电池的能量密度，因而受到了广泛的研究。目前已报道的铝离子电池正极材料主要为普鲁士蓝类类似物、石墨材料、过渡金属硫化物、超导离子导体材料和有机化合物等。普鲁士蓝类似物具有开放的结构，能够在水溶液中可逆的嵌入/脱出铝离子，但是表现出低可逆容量。石墨材料在非水系铝离子电池中表现出超长的循环寿命和高倍率性能，然而石墨材料提供的容量基本不超过150mAh/g。过渡金属硫化物以可逆的脱出/嵌入铝离子，但是容量衰减快。超离子导体材料同样存在容量衰减快的问题，极大的限制了铝离子电池的发展。因此，研发一种高容量、低成本、易制备的正极材料，是促进铝离子电池发展急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶铝锰氧化物正极材料及其制备方法与应用和一种铝离子电池，以解决现有铝离子电池容量低、成本高及容量衰减快的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种单晶铝锰氧化物正极材料，所述单晶铝锰氧化物正极材料的化学式为Al_xMnO₄，其中2/3≤x2，材料的晶型为单晶，晶系为立方晶系。

进一步的，所述单晶铝锰氧化物正极材料的平均粒径为2～15μm，比表面积为0.5～3m²/g，压实密度≥3.1g/cm³。

本发明提供了一种单晶铝锰氧化物正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将化学计量比的含锰化合物和含铝化合物分散于分散剂中，得到混合物；

2)将混合物研磨后干燥得到前驱体粉末；

3)对前驱体粉末进行两段式烧结，对冷却后的产物顺次进行粉碎、过筛、除磁，即得到单晶铝锰氧化物正极材料。

进一步的，所述含锰化合物包含碳酸锰、一氧化锰、二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰、醋酸锰、硫酸锰、氯化锰、硝酸锰、草酸锰和氢氧化锰中一种或几种；所述含铝化合物包含氧化铝、氢氧化铝、氯化铝、硝酸铝、硫酸铝、乙醇铝、异丙醇铝、醋酸铝、羟基草酸铝和羟基氧化铝中的一种或几种。

进一步的，所述分散剂包含水、乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、乙二醇、乙二醇二甲醚和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种，所述分散剂的用量为混合物的20～80wt％。