[发明专利]铝离子电池柔性电极材料及其制备方法和铝离子电池

说明书

本发明涉及电池领域，公开了一种铝离子电池柔性电极材料及其制备方法和铝离子电池，铝离子电池柔性电极材料的制备方法包括：(1)将含碳聚合物溶解于溶剂中，得到溶液；(2)将主体材料和/或主体材料的前驱体与所述溶液进行混合，得到纺丝液，然后进行静电纺丝，得到纺丝物；(3)对所述纺丝物进行任选地预处理，然后进行热处理，得到铝离子电池柔性电极材料；所述主体材料含有过渡金属氧化物和过渡金属硫化物中的至少一种。本发明提供的铝离子电池柔性电极材料制备方法简单、普适性强、成本低廉，并且本发明制得的柔性电极材料用于铝离子电池中具有较高的充放电比容量、循环可逆性。

技术领域

本发明涉及电池领域，具体地，涉及一种铝离子电池柔性电极材料及其制备方法和铝离子电池。

背景技术

柔性储能器件是目前研究比较热门的方向，柔性材料因具备可弯折、便携带等优点越来越受到热捧，并且具有巨大应用前景，如在曲面显示屏、智能服装、电子皮肤、可植入医疗器械等方面。可充电的铝离子电池是下一代高体积能量密度的热门研究器件之一。作为三价金属，Al可以实现三电子的氧化还原反应，而且其储量丰富，价格低廉，是极具研发前景的体系。通常的电极材料往往需要有铜箔或铝箔作为集流体，需要粘结剂将活性材料附着在集流体上面，这样的电极材料在电解液的浸润下，如果再发生弯折，电极材料很容易脱落下来。而柔性电极材料的正负极、隔膜都要求是柔性的，可以直接用来制作电极材料。因为无需再额外添加集流体、导电添加剂和粘结剂，这在很大程度上降低了电池的整体重量和成本,而且有助于增加电池的能量密度。因此，发展高安全性、高柔韧性和实用性的柔性铝离子电池具有重要的研究价值。

近年来，以美国、日本、韩国为首的国家纷纷布局柔性储能器件，所研究的方向包括柔性锂离子电池、柔性超级电容器、柔性钠离子电池以及相应的电解质体系。在铝离子电池柔性电极方面的研究目前才刚刚起步，找到简易高效的制备铝离子电池柔性电极的方法对于占领该领域十分关键。

为了解决上述难题，找到一种不使用硬质集流体又能有效提高电极材料的导电性的方法十分重要。通过静电纺丝法制备特有的碳纳米纤维骨架可以为主体材料提供很好的导电网络，从而充当集流体作用。尽管目前国内外有关于通过静电纺丝法制备柔性电极的报道，如文献Nano Lett.2016,16,3321-3328中Liu等采用静电纺丝法制备MnFe₂O₄@C纳米纤维柔性电极，并应用于钠离子电池负极材料，但是该柔性材料是采用原位化学法合成的，MnFe₂O₄存在于纳米纤维碳管中，高温处理过程中很容易破坏纳米纤维结构，且合成效率较低，难以工业化应用。文献Scientific Reports.2015,5,9254中Xiong等也采用静电纺丝的方法制备了MoS₂/C柔性薄膜用于钠离子电池负极材料，该文献采用聚丙烯腈(PAN)作为高聚物，合成的一维碳纳米管材料，所使用的纺丝溶剂PAN要求溶剂为二甲基甲酰胺，PAN的非水溶性则要求制备主体材料的原料是可溶于二甲基甲酰胺的，这给原材料的选择造成了很大的限制，对于大批量工业化生产也造成了困难，并且同样是采用原位化学法合成的，MoS₂存在于纳米纤维碳管中，同样具有上述缺陷。南开大学焦丽芳课题组采用静电纺丝的方法合成的N掺杂一维CuCo₂O₄薄膜，然后将其用于二次电池负极材料，其在1000mA g^-1的电流密度下循环1000周仍然有314mA h g^-1的可逆容量，即使在5000mA h g^-1的高电流密度下仍然有296mA h g^-1的可逆容量。但是该柔性材料是采用原位化学法合成的，CuCo₂O₄存在于纳米纤维碳管中，同样具有上述缺陷。

因此，找到一种成本低廉又高效普适的铝离子电池柔性电极材料的制作方法具有重要的研究意义。

发明内容