本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以有序介孔碳作為正極材料的可充電鋁電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著人類社會(huì)的高速發(fā)展和生活品質(zhì)的提升，能源匱乏問題越來越嚴(yán)重，同時(shí)對(duì)新能源的需求日益顯現(xiàn)。可持續(xù)和環(huán)保的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)開始逐漸取代化石能源，成為能源領(lǐng)域的發(fā)展方向。

為滿足眾多的電子消費(fèi)品及電動(dòng)裝置對(duì)高容量電池的需求，可充電電池的研究具有非常重要的意義。其中，鋰離子電池具有循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，高倍率性能的優(yōu)點(diǎn)，但鋰資源稀缺且以金屬鋰制備的二次電池安全性低。與傳統(tǒng)的鋰離子二次電池相比，可充電鋁電池是以碳基材料等作為正極，高純鋁箔作為負(fù)極材料，離子溶液作為電解液，玻璃纖維濾紙作為隔膜實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的新型可充電電池。由于在電化學(xué)充放電反應(yīng)中鋁氧化還原電對(duì)涉及到三個(gè)電子傳遞過程，與單個(gè)電子轉(zhuǎn)移的鋰離子電池相比，鋁電池具有更高的存儲(chǔ)容量。鋁在自然界儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、綠色無毒且具有相當(dāng)高的理論容量（2978mah·g^?1）。制備的可充電鋁電池具有較高的放電電壓，不含鋰離子以及其他容易燃燒的金屬，安全性高，成本低。因而，可充電鋁電池備受研究人員的青睞，也逐漸成為新一代清潔儲(chǔ)能裝置的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

然而，可充電鋁電池研究面臨諸多挑戰(zhàn)：（a）充放電可逆性差，相應(yīng)的會(huì)導(dǎo)致庫倫效率低；（b）在循環(huán)過程中會(huì)出現(xiàn)容量急劇衰減的現(xiàn)象，循環(huán)穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響電池的壽命；（c）由于在充放電過程中產(chǎn)生的大尺寸離子（alcl4^-）的嵌入/嵌出，會(huì)導(dǎo)致正極電極材料出現(xiàn)體積膨脹甚至導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的粉化和坍塌，加速容量的衰減。

目前，為了改善可充電鋁電池的電化學(xué)性能，研究人員做了大量工作。journalofpowersources（2016,3:9）報(bào)道了硫化物作為可充電鋁電池的正極材料。雖然其具有高的容量，但由于硫化物導(dǎo)電性差，體積膨脹且易溶于電解液中導(dǎo)致容量急劇衰減，電池電壓低。advancedmaterials（2017,29:1）報(bào)道了一種無缺陷的石墨烯作為可充電鋁電池的正極材料，制得的鋁電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，但因此種無缺陷的石墨烯的制備需要在3000^oc高溫條件下退火操作來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)條件苛刻，遠(yuǎn)超出實(shí)際產(chǎn)業(yè)化的能力，導(dǎo)致將其產(chǎn)業(yè)化的可行性低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了改善可充電鋁電池循環(huán)壽命差、所用正極材料產(chǎn)業(yè)化困難等問題，本發(fā)明目的提供一種制備工藝成熟的有序介孔碳作為正極材料的可充電鋁電池，該電池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，高的能量密度，而且大大降低了鋁電池的制作成本，提高了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的可行性。

本發(fā)明還提供了一種可充電鋁電池的制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

本發(fā)明提供了一種可充電鋁電池，該電池以有序介孔碳作為正極材料。

進(jìn)一步的，本發(fā)明提供的可充電鋁電池以玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極。

本發(fā)明還提供了一種可充電鋁電池的制備方法，包括以下步驟：

（1）將有序介孔碳、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑按混合，加入溶劑,攪拌混合制成漿料，采用刮涂法將漿料均勻的涂布在集流體上，在30-90^oc下干燥，得到正極材料；

（2）將上述正極材料切割成矩形得正極片，將正極片反放，用導(dǎo)電膠將其與鉬箔極耳粘合；將負(fù)極材料高純鋁箔用導(dǎo)電膠將其與極耳粘合；將單層玻璃纖維濾紙作為隔膜，其尺寸比負(fù)極材料高純鋁箔的尺寸稍大一點(diǎn)，將其輕放在不含導(dǎo)電膠的負(fù)極材料的另一面；

（3）在隔膜的中心位置添加離子溶液電解液，使其浸潤(rùn)隔膜；將正極片一面輕放在隔膜的中央，使其與隔膜下部的所述的負(fù)極材料對(duì)齊，輕輕按壓；最后用封裝機(jī)包好，封口。

進(jìn)一步的，所述有序介孔碳、導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑按質(zhì)量比為7:2:1或8:1:1。

進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電劑為乙炔黑、super.p、科琴黑或卡博特炭黑。

進(jìn)一步的，所述粘結(jié)劑為聚偏二氟乙烯。

進(jìn)一步的，步驟（1）中，所述溶劑為n-甲基吡咯烷酮。

進(jìn)一步的，步驟（1）中，所述干燥的時(shí)間為12-24h。

本發(fā)明所使用的離子溶液電解液為alcl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩爾比為1.3:1混合，或者是alcl3和1,3-二正丁基咪唑溴化物按照摩爾比為0.5:1混合。

上述離子溶液電解液的添加量為75-300μl。

本發(fā)明將已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的有序介孔碳（cmk-3）作為正極材料，得到的可充電鋁電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，能得到高達(dá)?45wh·kg^-1質(zhì)量比能量密度。本發(fā)明制備的鋁電池在3000ma·g^-1（50c）的極高的電流密度下，al/cmk-3電池也表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）本發(fā)明首次以有序介孔碳作為可充電鋁電池的正極材料，本發(fā)明制備的鋁電池，循環(huán)穩(wěn)定性好，倍率性有了很大的提高，電化學(xué)性能優(yōu)異，在經(jīng)過8000多個(gè)可逆循環(huán)后仍然具有非常優(yōu)秀的電化學(xué)性能，庫倫效率保持在97%以上，具有穩(wěn)定的長(zhǎng)循環(huán)壽命；實(shí)現(xiàn)了超高的能量密度；原料簡(jiǎn)單易得，制備成本低；

（2）本發(fā)明提供的制備方法簡(jiǎn)單易操作，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

（3）本發(fā)明所得到的可充電鋁電池可用于眾多領(lǐng)域，如電子工業(yè)，通訊產(chǎn)業(yè)，電動(dòng)汽車等，具有廣闊的前景。

附圖說明

圖1：實(shí)施例1、2、3、4、5中軟包電池的制作；

圖2：實(shí)施例1中所制備的可充電鋁電池的循環(huán)性能曲線。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和極較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明原理和特征進(jìn)行全面細(xì)致的描述，所舉實(shí)施例只用于解釋本發(fā)明，并非限定本發(fā)明的范圍。

除非另有說明.本發(fā)明中所使用的各種原材料、試劑、儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等均可通過市面購買得到或者可以通過現(xiàn)有方法制備得到。

電化學(xué)性能測(cè)試：本發(fā)明采用武漢蘭博電子有限公司的藍(lán)電lanhect2001a充放電儀在室溫（25^oc）進(jìn)行充放電測(cè)試，充放電電壓范圍為0.5v-2.8v。在0.75c倍率對(duì)齊循環(huán)性能進(jìn)行測(cè)試。

本發(fā)明制備的可充電鋁電池的具體制作過程如圖1所示，實(shí)施例1-5均采用此制作過程。

實(shí)施例1

漿料的制備：稱取70mgcmk-3、20mgsuper.p和10mgpvdf，250μlnmp攪拌混合制成漿料。

電極的制作：采用刮涂法將漿料均勻的涂布在鉬箔上，涂層厚度為150μm，在60^oc下干燥12h；然后切成長(zhǎng)方形（1.5mm×1.0mm）的正極片。

電池的組裝：以所制備的極片為正極，玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極，添加alcl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩爾比為1.3:1混合的離子溶液電解液，添加電解液的量為180μl，在充滿氬氣的手套箱中完成電池的組裝。

電化學(xué)性能：循環(huán)性能曲線如圖2所示，在15c的放電倍率下，在循環(huán)8000圈后，放電容量為33.2mah·g^-1且保持穩(wěn)定，幾乎無衰減，庫倫效率保持在97%以上。

實(shí)施例2

漿料的制備：稱取64mgcmk-3、8mgsuper.p和8mgpvdf，250μlnmp攪拌混合制成漿料。

電極的制作：采用刮涂法將漿料均勻的涂布在鉭箔上，涂層厚度為200μm，在40^oc下干燥24h。然后切成長(zhǎng)方形（1.5mm×1.0mm）的正極片。

電池的組裝：以所制備的極片為正極，玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極，添加alcl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩爾比為1.3:1混合的離子溶液電解液，添加電解液的量為200μl，在充滿氬氣的手套箱中完成電池的組裝。

在15c的放電倍率下，在循環(huán)8000圈后，放電容量為26.7mah·g^-1且保持穩(wěn)定，幾乎無衰減，庫倫效率接近95%。

實(shí)施例3

漿料的制備：稱取84mgcmk-3、24mgsuper.p和12mgpvdf，250μlnmp攪拌混合制成漿料。

電極的制作：采用刮涂法將漿料均勻的涂布在鉬箔上，涂層厚度為200μm，在80^oc下干燥12h。然后切成長(zhǎng)方形（1.5mm×1.0mm）的正極片。

電池的組裝：以所制備的極片為正極，玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極，添加alcl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩爾比為1.3:1混合的離子溶液電解液，添加電解液的量為120μl，在充滿氬氣的手套箱中完成電池的組裝。

在15c的放電倍率下，在循環(huán)8000圈后，放電容量為25.8mah·g^-1且保持穩(wěn)定，幾乎無衰減，庫倫效率接近93%。

實(shí)施例4

漿料的制作稱取84mgcmk-3、24mgsuper.p和12mgsuper.p，250μlnmp攪拌混合制成漿料。

電極的制作：采用刮涂法將漿料均勻的涂布在鉬箔上，涂層厚度為150μm，在60^oc下干燥12h。然后切成長(zhǎng)方形（1.5mm×1.0mm）的正極片。

電池的組裝：以所制備的極片為正極，玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極，添加alcl3和1,3-二正丁基咪唑溴化物（[bim][br]）按照摩爾比為0.5:1混合的離子溶液電解液，添加電解液的量為180μl，在充滿氬氣的手套箱中完成電池的組裝。

在15c的放電倍率下，在循環(huán)8000圈后，放電容量為27.9mah·g^-1且保持穩(wěn)定，幾乎無衰減，庫倫效率接近95%。

實(shí)施例5

漿料的制備：稱取84mgcmk-3、24mg乙炔黑和12mgpvdf，250μlnmp攪拌混合制成漿料。

電極的制作：采用刮涂法將漿料均勻的涂布在鉬箔上，涂層厚度為200μm，在80^oc下干燥12h。然后切成長(zhǎng)方形（1.5mm×1.0mm）的正極片。

電池的組裝：以所制備的極片為正極，玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極，添加alcl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩爾比為1.3:1混合的離子溶液電解液，添加電解液的量為120μl，在充滿氬氣的手套箱中完成電池的組裝。

在15c的放電倍率下，在循環(huán)8000圈后，放電容量為25.4mah·g^-1且保持穩(wěn)定，幾乎無衰減，庫倫效率接近94%。

對(duì)比例1

漿料的制備：稱取84mg石墨烯、24mg乙炔黑和12mgpvdf，250μlnmp攪拌混合制成漿料。

電極的制作：采用刮涂法將漿料均勻的涂布在鉬箔上，涂層厚度為200μm，在80^oc下干燥12h。然后切成長(zhǎng)方形（1.5mm×1.0mm）的正極片。

電池的組裝：以所制備的極片為正極，玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極，添加alcl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩爾比為1.3:1混合的離子溶液電解液，添加電解液的量為120μl，在充滿氬氣的手套箱中完成電池的組裝。

在15c的放電倍率下，在循環(huán)8000圈后，放電容量為15mah·g^-1且保持穩(wěn)定，幾乎無衰減，庫倫效率接近90%。

對(duì)比例2

漿料的制備：稱取60mg有序介孔碳、30mg乙炔黑和10mgpvdf，250μlnmp攪拌混合制成漿料。

電極的制作：采用刮涂法將漿料均勻的涂布在鉬箔上，涂層厚度為200μm，在80^oc下干燥12h。然后切成長(zhǎng)方形（1.5mm×1.0mm）的正極片。

電池的組裝：以所制備的極片為正極，玻璃纖維濾紙作為隔膜，高純鋁箔作為負(fù)極，添加alcl3和1-乙基-3-甲基咪唑氯化物按照摩爾比為1.3:1混合的離子溶液電解液，添加電解液的量為120μl，在充滿氬氣的手套箱中完成電池的組裝。

在15c的放電倍率下，在循環(huán)8000圈后，放電容量為17mah·g^-1且保持穩(wěn)定，幾乎無衰減，庫倫效率接近92%。

同時(shí)，當(dāng)有序介孔碳同乙炔黑、pvdf的比例超過8：1：1時(shí)，如9：0.5：0.5時(shí)，效果同樣不如本發(fā)明所提供的技術(shù)方案。

以上所述的實(shí)例均是對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是這些實(shí)例僅為本發(fā)明的具體實(shí)例，并不限于本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。