[发明专利]三氯化铝-石墨层间化合物及其制备方法与电极和电池

说明书

本发明公开了一种三氯化铝‑石墨层间化合物及其制备方法与电极和电池，它是在天然石墨结晶结构层片之间插入了三氯化铝所形成的层间化合物。在活化剂和铝离子电解液的共同作用下，位于石墨晶格层间位置的三氯化铝微粒在充放电过程具有很高的电化学活性。三氯化铝‑石墨层间化合物与含有活性剂、分散剂的复合胶黏剂混合均匀，将层间化合物压制成型并烘干后得到炭素电极，适用于各种类型使用炭素电极的电池。以三氯化铝‑石墨层间化合物炭电极为阳极，金属铝为阴极，铝离子液体为电解质溶液组成的铝离子电池，在能量密度、充放电性能、安全性能等方面优于锂离子电池。

技术领域

本发明属于能源领域，具体涉及一种三氯化铝-石墨层间化合物及其制备方法与电极和电池。

背景技术

电池的能量密度取决于阳极材料、阴极材料的容量，以及电解质溶液的性能等因素。长期以来，人们提高电池能量密度的努力往往针对其中一种电极材料，以锂离子电池为例，用三元系替代磷酸亚铁锂使阳极材料的理论容量从170mAh/g提高到接近300mAh/g。而针对炭电极材料的研究进展不大。浙江大学高超团队用石墨烯取代结晶石墨制作铝电池的阴极，尽管在充放电速率、循环寿命等方面取得了显著进展，但电池的能量密度未见有明显增加。而且石墨烯价格不菲，和传统碳电极相比在成本上不具有市场竞争力。

发明内容

本发明的目的是提供一种三氯化铝-石墨层间化合物及其制备方法，以及采用该三氯化铝-石墨层间化合物的电极和电池。

第一方面，本发明提供了一种三氯化铝-石墨层间化合物，它是由三氯化铝插入在鳞片石墨结晶结构层之间组成的层间化合物。

第二方面，本发明提供了上述三氯化铝-石墨层间化合物的制备方法，包括以下步骤：

1)将粒度小于300目的鳞片石墨与三氯化铝按重量比为1:1至1:2的比例混合均匀，将混合物装入压力容器中，加热到195-220℃，恒温2-4小时；

2)冷却至室温后，取出物料并研磨得到三氯化铝-石墨层间化合物。

第三方面，本发明提供了一种采用上述三氯化铝-石墨层间化合物的炭质电极制备方法，该方法包括以下步骤：

1)在三氯化铝-石墨层间化合物中加入相当于石墨-氧化物层间化合物0.3至0.8倍重量的复合胶黏剂，加入的复合胶黏剂中含有相当于石墨-氧化物层间化合物重量0.5％至1.5％的表面活性剂，充分搅拌使混合均匀；

2)将混合物装填入模具中，其中埋入铜丝作为导体，压制成目标形状，得到电极胚体；

3)将电极胚体在160至180℃下恒温2-4小时，冷却脱模后得到三氯化铝-石墨层间化合物炭电极。

所述的复合胶黏剂是酚醛-缩醛复合胶黏剂、酚醛-丁腈复合胶黏剂或环氧树脂及配套的固化剂。

所述的表面活性剂是季铵盐或聚山梨酯类化合物，代表性化合物如：十六烷基三甲基氯化铵，十八烷基三甲基氯化铵，双十烷基二甲基氯化铵，双十八烷基二甲基氯化铵，四乙基氯化铵，四丙基氯化铵，四丁基氯化铵，四戊基氯化铵，聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯(俗称吐温-80)。

基于上述任一方法可以制备得到三氯化铝-石墨层间化合物炭电极。

第四方面，本发明提供了一种采用上述三氯化铝-石墨层间化合物炭电极的电池，该电池内设置有由一组或多组铝箔、铝片或铝板制成的金属铝阴极，以及所述三氯化铝-石墨层间化合物炭电极阳极，阴极和阳极之间被离子隔膜分隔，电池内充有铝离子液体，抽真空后密封；金属铝阴极和三氯化铝-石墨层间化合物炭阳极通过导体穿过封口与外电场连接；该电池是一种二次电池，电池放电后可重新充电重复使用。

所述的金属铝阴极的形状、大小需与三氯化铝-石墨层间化合物炭电极阳极匹配。