[发明专利]用于铝二次电池的石墨碳基阴极及制造方法

权利要求书

1.一种铝二次电池，包括阳极、阴极、电子地分离所述阳极和所述阴极的任选多孔隔膜、以及与所述阳极和所述阴极呈离子接触的电解质以支持在所述阳极处铝的可逆沉积和溶解，其中所述阳极包含铝金属或铝金属合金作为阳极活性材料，并且所述阴极包含石墨碳颗粒或纤维的阴极活性层作为阴极活性材料，所述阴极活性材料嵌入/脱嵌铝离子或含铝的离子，其中所述石墨碳颗粒或纤维涂有保护层，所述保护层可透过铝离子或溶于所述电解质中的离子，并且所述保护层防止或减少所述石墨碳颗粒或纤维中石墨平面的膨化，其中所述保护层包含选自以下的材料：碳化树脂、离子传导聚合物、导电聚合物、或其组合。

2.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述石墨碳颗粒或纤维选自中间相碳颗粒、中间相碳微球(MCMB)、焦炭颗粒或针状物、软碳颗粒、硬碳颗粒、含有石墨微晶的无定形石墨、多壁碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、石墨纳米纤维、石墨纤维、或其组合。

3.如权利要求2所述的铝二次电池，其中，所述中间相碳颗粒、中间相碳微球(MCMB)、焦炭颗粒或针状物、软碳颗粒、硬碳颗粒、碳纳米纤维、碳纤维、石墨纳米纤维或石墨纤维具有经过化学处理以从中除去一层硬碳或无定形碳的表面。

4.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述石墨碳选自针状焦炭、碳纳米纤维、碳纤维、石墨纳米纤维、石墨纤维、多壁碳纳米管、或其组合，并且所述石墨碳具有短于10μm的长度。

5.如权利要求1所述的铝二次电池，还包括负载所述铝金属或铝金属合金的阳极集流体，或者还包括负载所述石墨碳颗粒或纤维层的阴极集流体。

6.如权利要求5所述的铝二次电池，其中，所述阳极集流体包含导电纳米级长丝的集成纳米结构，所述长丝互连以形成包含互连孔的电子传导路径的多孔网络，其中所述长丝具有小于500nm的横向尺寸。

7.如权利要求6所述的铝二次电池，其中，所述长丝包括选自由以下组成的组的导电材料：电纺纳米纤维、气相生长碳或石墨纳米纤维、碳或石墨晶须、碳纳米管、纳米级石墨烯片晶、金属纳米线、及其组合。

8.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述电解质选自含水电解质、有机电解质、熔盐电解质、离子液体电解质、或其组合。

9.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述电解质包含AlF₃、AlCl₃、AlBr₃、AlI₃、AlF_xCl_(3-x)、AlBr_xCl_(3-x)、AlI_xCl_(3-x)、或其组合，其中x为从0.01至2.0。

10.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述电解质包含离子液体，所述离子液体包含与选自以下的有机氯化物混合的铝盐：正丁基吡啶鎓氯化物(BuPyCl)、1-甲基-3-乙基咪唑鎓氯化物(MEICl)、2-二甲基-3-丙基咪唑鎓氯化物、1,4-二甲基-1,2,4-三唑鎓氯化物(DMTC)、或其混合物。

11.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述电解质还支持在所述阴极处离子的可逆嵌入和脱嵌，其中所述离子包括阳离子、阴离子、或两者。

12.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述石墨碳纤维的阴极活性层起阴极集流体的作用以在所述铝二次电池的放电期间收集电子，并且其中，所述电池不包含单独的或额外的阴极集流体。

13.如权利要求1所述的铝二次电池，其中，所述石墨碳颗粒或纤维的阴极活性层还包含导电粘合剂材料，所述导电粘合剂材料将所述石墨碳颗粒或纤维粘合在一起以形成阴极电极层。