[发明专利]一种石墨烯膜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

本发明涉及具有柔性、超高导电率及宽温度使用范围的石墨烯膜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

铝离子电池是一种可快速冲放的新型二次电池，具有成本低，功率密度高和安全性高的优点，被视为可替代超级电容器的一种新型能源存储技术。然而目前铝离子电池技术主要受限于其较低的正极材料比容量，可大规模加工生产的可能性及成本，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)公开了一种类碳纸的铝离子电池正极，虽然其具有90mah/g的比容量，但其的柔韧性、倍率性能及仅有数百圈的循环寿命限制了该正极材料的应用。

目前铝离子电池正极的循环寿命及倍率性能等仍是目前限制铝离子电池应用的重要因素。因此,寻找一种合适的正极材料以大幅提高铝-石墨烯电池的性能是目前研究的重中之重。

一般在石墨烯膜的制备过程中，往往采用热压工艺及额外施加压力使得石墨烯膜变得致密，而这会导致电解液无法渗透入石墨烯膜中，因此无法用作电极材料。

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，提供一种可以被电解液浸润的石墨烯膜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：一种石墨烯膜正极材料的制备方法，它的步骤如下：

(1)将质量百分含量在0.05％-5％的氧化石墨烯溶液涂覆与基底上，干燥后除去基底，得到氧化石墨烯膜；

(2)将氧化石墨烯膜进行化学还原或高温热还原，得到具有超高导电率的石墨烯膜正极材料；

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

进一步地，所述步骤(1)中基底选自聚乙烯膜、铝箔、铜箔、聚四氟乙烯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜等，干燥真空压力为0.1-100kPa，干燥温度为40-200℃。

进一步地，所述步骤2)的化学还原剂选自水合肼蒸汽、碘化氢水溶液、抗坏血酸钠水溶液等；高温热还原温度为1000-3000℃、还原氛围为氮气或氩气氛围下，还原时间为100-1000分钟。

进一步地，所述步骤2)所述的具有超高导电率的石墨烯膜厚度为10μm-1mm。

一种上述方法得到的石墨烯膜正极材料在铝离子电池中的应用，以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；隔膜选自隔膜选自玻璃纤维、聚丙烯隔膜、聚四氟乙烯隔膜或聚乙烯隔膜。

本发明的有益效果在于：本发明对用于铝离子电池的石墨烯膜正极材料的制备方法进行优化，使之同时具有高取向性和渗透性，优化后的石墨烯膜组装的铝离子电池，比现有石墨烯膜正极材料组成的铝离子电池，其功率密度和能量密度具有显著提升，在250,000次循环后仍保持91％的性能，在零下四十摄氏度到120摄氏度的非常宽的温度范围中具有十分稳定的电池性能。另外，蓬松结构的石墨烯膜在10,000次弯折后仍保持完整的电化学性能。且该石墨烯膜为自支撑可连续化生产，成本低廉，在未来电动汽车、可穿戴设备方面有极高的实践应用价值。

附图说明

图1是本发明制备的石墨烯膜基铝离子电池在100A/g恒流充放电条件下的循环性能曲线；

图2是是本发明制备的石墨烯膜基铝离子电池在0-120度下的容量和随着充电电压优化后的效率变化曲线；

图3是本发明制备的石墨烯膜基铝离子电池在零下40到0度下的容量和倍率性能；

图4是本发明制备的石墨烯膜基铝离子电池在零下30度和80度下的稳定循环曲线；

图5是本发明制备的铝-石墨烯膜电池的工作温度范围和稳定性能温度范围与商业化的电池及电容器的比较。其中，A为锂离子电池，B为水系电容器，C为有机系电容器，D为本发明的铝离子电池；

图6是本发明制备的铝-石墨烯膜电池的柔性展示，可在0-180度弯折角度、1万次弯折次数后仍能保持100％的电化学性能，并在180度弯折的状态下仍能稳定循环500次以上。

图7是本发明制备的石墨烯膜正极的浸润性展示。

图8是涂于球形基底得到的自支撑石墨烯膜的示意图。

具体实施方式