[发明专利]一种石墨烯气凝胶正极材料的制备方法及其在铝离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯气凝胶正极材料的制备方法及其在铝离子电池中的应用。

背景技术

铝离子电池因其铝金属负极具有超高的比容量、低成本以及安全性的优点而成为非常有希望的下一代能量储存方式。然而寻找一种具有较高容量、高放电平台及高倍率性能的正极材料一直是铝离子电池研究的主要方向。

石墨烯是一种厚度只有0.34nm的超薄二维纳米材料，具有超高的导电性以及载流子迁移率，在各种电池材料领域具有极大的应用价值。石墨烯通过自组装可获得连续且自支撑的石墨烯宏观体材料，从而可获得比石墨材料更好的电化学性能。例如申请公布号为CN104241596A的中国发明专利(申请公布号2014年12月24日)公开了一种正极材料使用石墨的可充电铝离子电池及其制备方法，由于石墨的高堆叠结构这种可充电铝离子电池的高倍率性能就受到了限制。

氧化石墨烯是石墨烯材料的一种重要原料，产量高成本低，具备非常好的工业化前景，然而目前大规模制备氧化石墨烯的方法主要是通过氧化法，会对石墨烯的结构进行破坏进而降低其导电率及电化学性能，而没有缺陷的高导电石墨烯主要以气相沉积法获得，无法大规模生产。

一般认为,在锂离子电池中碳材料的设计思路都基于提高碳材料的缺陷以提高电极材料中离子的迁移速度,及增加活性物质的负载量。因此,提高碳材料的缺陷浓度来提高电池的性能是本领域技术人员的重点研究方向。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，克服本领域的技术偏见，提供一种石墨烯气凝胶正极材料的制备方法及其在铝离子电池中的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯气凝胶正极材料的制备方法，它的步骤如下：

(1)将氧化石墨烯加入溶剂中，得到质量百分含量在0.01％-2％的氧化石墨烯溶液；

(2)将氧化石墨烯溶液进行冷冻干燥或者水热处理等，得到氧化石墨烯气凝胶；

(3)使用水合肼或者高温热处理将氧化石墨烯气凝胶进行还原,得到超高导电石墨烯气凝胶；

(4)将石墨烯气凝胶进行压实，或涂膜于集流体上，并进行烘干,即得到超高导电石墨烯气凝胶正极材料。

进一步地，所述步骤(1)的溶剂选自去离子水、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、乙醇、正丁醇、乙腈，或者它们按照任意笔组成的混合物。

进一步地，所述步骤(2)的冷冻干燥温度为-40至0℃，冷冻干燥真空压力为0.1-1kPa,水热处理的温度为80-200℃。

进一步地，所述步骤(3)的还原剂为水合肼蒸汽、体积百分含量5％-50％的碘化氢水溶液，或体积百分含量5％-50％抗坏血酸钠溶液；高温热处理为1000-3000℃氮气或氩气氛围下，时间为10-1000分钟。

进一步地，所述步骤(4)所述的集流体包括铝箔、铜箔、镍箔、碳覆铝箔、碳纸、碳布或者他们的混合物。

其中，步骤4中的涂膜工艺为本领域公知常识，具体为：超高导电石墨烯气凝胶与胶黏剂及导电剂混合比例为9:0.5:0.5-5:2.5:2.5，胶黏剂包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶基、水、N-甲基吡咯烷酮及他们的混合物；导电剂包括乙炔黑、科琴黑、SuperP、石墨烯、碳纳米管、C60及他们的混合物；混合后涂膜于集流体上。涂膜厚度在1-100微米，烘干温度为40-100℃，烘干时间为1-100小时。

本发明还提供了上述材料在铝离子电池中的应用，所述的铝离子电池，以上述方法制备的超高导电石墨烯气凝胶为正极。电池包装选自扣式电池壳，软包电池壳或不锈钢电池壳；电池负极为铝金属或铝合金；隔膜选自玻碳纤维、聚丙烯隔膜或聚乙烯隔膜。

本发明的有益效果在于：石墨烯气凝胶正极材料具有无缺陷石墨烯良好的导电性，在电化学性能方面表现出优异的高倍率性能；且通过组装成铝离子电池后表现出较高的能量密度。该超高导电石墨烯气凝胶正极材料可大量生产，成本低廉，在未来电动汽车及能量存储方面有极高的实践应用价值。

附图说明

图1是实施例1制备的超高导电石墨烯气凝胶正极的实物图；

图2是实施例1的超高导电石墨烯气凝胶正极的扫描电子显微镜照片；

图3是实施例1的超高导电石墨烯气凝胶正极的的透射电子显微镜照片；

图4是实施例1的超高导电石墨烯气凝胶基铝离子电池在在50C恒流充放电条件下的循环性能曲线。