[发明专利]一种铝碳气凝胶复合材料及以此为负极的二次电池

说明书

技术领域

本发明属于新材料和新能源产品领域，涉及一种金属碳复合材料，尤其是涉及一种含有铝的金属碳气凝胶复合材料及其制备方法，以及以此复合材料为负极的二次铝电池。

背景技术

与传统电极材料相比，元素铝与硫均具有理论能量密度大、资源丰富、价格低廉、对环境友好、使用安全等优点。金属铝理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于金属锂（3682mAh/g），体积比容量为8050mAh/cm³，约为锂（2040mAh/cm³）的4倍，且化学活泼性相对稳定，是理想的负极材料；元素硫也具有较大的理论能量密度（1670mAh/g），是已知能量密度最大的正极材料。因此，铝硫电池从各方面来说都是一种价格低廉、能量密度高、使用安全的理想电池。

单质铝是一种非常活泼的金属，表面形成的钝化膜（氧化膜）比较致密，在电化学充放电过程中影响了电化学沉积-溶出效率，使得铝的利用率低，严重制约了电池容量的发挥。虽然通过合金化等手段，使铝表面钝化膜受到抑制、电性能得到较大改善，但牺牲了铝电极的工作电位和倍率放电性能。此外，平板铝电极或在平面基地上的镀铝电极都存在比表面积小，钝化严重，活性差等问题。

发明内容

（一）发明目的

本发明的目的在于提供一种铝碳气凝胶复合材料用于制备铝负极，克服现有技术的不足。在铝碳气凝胶形成的三维网络骨架中，实现了铝的纳米分布，提高铝的反应活性，增大了铝的利用率。

碳气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔无定形炭素材料，具有导电性高（500～4000S/m），比表面积高（400～1000m²/g），质量密度低（0.03～0.959/cm³），纳米级连续孔隙（孔隙率高达80～98.5％，典型孔隙尺寸小于50nm），纳米级骨架碳微粒（网络胶体颗粒尺寸为3～20nm），结构可控，尺寸可调，易于掺杂以及非品晶态的结构等特性，有利于增强其表面吸附能力。这些性能是由其直径为3～25nm的颗粒相互连接的微观网络结构决定的。

通常，碳气凝胶中碳单质微粒处于杂乱无章的堆积状态，其中分散着由碳微粒所包围的封闭微孔。当碳气凝胶与金属铝一起加热至铝的熔点以上的温度时，铝熔融成铝熔体。由于无定形态碳单质在铝熔体中的最初热力学活度与骨架中碳单质的活度存在差异，可引起碳单质的质量迁移和再结晶，从而导致碳单质微粒发生相变定向重排，形成有序的层状碳结构，提高导电能力。同时碳气凝胶骨架上原本由碳单质微粒堆积包围而成的封闭微孔，可随着碳单质微粒在金属铝熔体作用下发生重排，逐渐形成开放的孔，使得孔体积显著增多，比表面积增大，有利于电解质溶液在电极材料中的扩散，进而提升负极的反应活性和容量。

碳气凝胶三维网络骨架中存在的层状碳结构和开放连通的微孔，共同构成了具有纳米尺度的有序孔道结构。铝熔体以纳米形态在这些有序孔道结构中渗透、扩散，可进一步提升铝负极的活性和容量。

本发明的目的还在于提供一种铝碳气溶胶复合材料的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种以铝碳气凝胶为负极活性材料的二次铝电池，这种新型的二次铝电池容量大、价格经济、环保安全。

本发明中的术语“二次铝电池”包括例如“铝二次电池”、“二次铝硫电池”、 “可充电铝电池”、“铝蓄电池”、“铝储能电池”以及类似的概念。

（二）技术方案 

为实现上述发明目的，本发明提供一种金属碳复合材料，所述复合材料包括：

（a）碳气凝胶；和

（b）金属铝或铝合金，其特征在于铝或铝合金以渗透或扩散的形式分布在碳气凝胶的骨架结构中。

方案所述的铝碳气凝胶复合材料，其中的碳单质微粒为有序排布。

所述的铝合金中合金元素为选自Li、Na、K、Ca、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Sn、Pb、Ma、Ga、  In、Cr、Ge 中的至少一种元素，含量不超过5%。

方案所述的铝碳气凝胶复合材料，其制备方法包括：在惰性气氛中，将碳气凝胶和铝或铝合金混合物加热至铝的熔点以上，在800～2000℃保持1～10小时，冷却至室温，制得铝碳气凝胶复合材料。

所述的铝碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：所述混合物的碳气凝胶的含量为10～90%，铝或铝合金的含量为90～10%。

本发明还提供一种二次电池，包括：

（a）一个含铝电活性物质的负极，其中，含铝电活性物质为铝碳气凝胶复合材料；

（b）一个正极；

（c）一种非水电解质。