[發明專利]一種硫碳導電聚合物正極及使用這種正極的二次鋁電池

無效

• 申請號: 201410221498.4
• 申請日: 2014-05-23
• 公開（公告）號: CN104078678A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 趙宇光;駱建洲
• 申請（專利權）人: 南京中儲新能源有限公司
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60;H01M10/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬電化學與新能源產品領域，涉及一種二次鋁電池，尤其是涉及一種“硫/碳/導電聚合物復合材料”的正極及使用這種正極的二次鋁電池。

背景技術

與現有電極材料相比，地殼儲量最多的金屬元素鋁具有理論密度大、資源豐富、價格低廉、對環境友好、使用安全等優點。金屬鋁理論能量密度高達2980mAh/g，僅次于金屬鋰（3682mAh/g），體積比容量為8050mAh/cm3，約為鋰（2040Ah/cm3）的4倍，且化學活潑性相對穩定，是理想的負極材料；元素硫也具有較大的理論能量密度（1670?mAh/g），是已知能量密度最大的正極材料。因此，二次鋁硫電池從各方面來說都是一種價格低廉、能量密度高、使用安全的理想電池。

二次鋁硫電池基于鋁和硫之間的電化學反應，放電過程中，硫-硫鍵斷裂，產生的小分子硫化物溶于電解液，遷移到鋁負極，它們可在那形成不溶解的產物，使負極鈍化。這種高溶解度還導致有效電極質量損失，造成電池的自放電，增加電解液粘度，影響活性物質的的分布狀態。多次循環后造成容量迅速衰減，使電池循環性能很快下降。同時多硫化陰離子可影響到電池的效率。因此，對于鋁硫電池正極材料的研究，一方面要提高其電導率，來提高正極活性物質的利用率；另一方面要保持正極材料結構的穩定性，抑制容量的不可逆損失，以提高電池的循環性能。

發明內容

（一）發明目的

為了克服現有技術中單質硫作為正極活性材料時的缺陷，本發明采用一種以碳、導電聚合物包覆單質硫的復合材料作為正極活性材料，提升電池容量，提高電池循環性能。

本發明的目的還在于提供一種以“硫/碳/導電聚合物復合材料”為正極活性材料的二次鋁電池。

本發明的目的還在于提供一種新型的價格低廉、能量密度高、使用安全的二次鋁電池。

本發明中的術語“二鋁次電池”包括例如“鋁二次電池”、?“可充電鋁電池”、?“鋁蓄電池”、?“鋁儲能電池”以及類似的概念。

（二）技術方案

為了克服現有技術中單質硫作為正極活性材料時的缺陷，利用導電聚合物和碳材料的導電性克服單質硫電絕緣性差，提高正極材料導電率，從而提高正極活性物質的利用率。利用多孔碳材料上的大量介孔孔道對中間產物強烈的吸附作用實現對硫的固定，抑制、減緩硫的流失。利用導電聚合物單體在介孔碳孔洞中的原位聚合對硫的包覆，進一步抑制硫的流失，提高電池循環性能。此外，導電聚合物的電活性對正極活性也有貢獻，可提升電池容量和能量密度。

為了實現上述目的，本發明的提供了一種二次鋁電池，包括：

(a)?非水含鋁電解液；?

(b)?含鋁活性材料的負極；和

(c)?含硫活性材料的正極。

下面是本發明電化學電池優選的負極、正極、電解液的描述。

正極

本發明的電池的正極包括含有含硫活性材料的正極活性物質、導電劑、粘結劑和集流體。其中，術語“含硫活性材料”在這里指包含含硫元素的正極活性物質，其中，電化學活性涉及硫-硫共價鍵的斷裂或形成。

方案所述含硫活性材料的正極活性物質為硫/碳/導電聚合物復合材料。

方案所述硫/碳/導電聚合物復合材料中，硫為單質硫；碳材料選用介孔碳、碳納米管、石墨烯、活性炭、碳纖維中的一種或幾種；導電聚合物使用聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡啶、聚苯撐、聚苯撐乙烯、聚雙炔等導電聚合物的一種或幾種。

方案所述硫/碳/導電聚合物復合材料的具體制備方法如下：

步驟1，硫/碳復合材料的制備：

將單質硫、碳材料按比例混合均勻后，惰性氣體保護下加熱，冷卻得到硫/碳復合材料。

步驟2，硫/碳/聚合物復合材料的制備?

將硫/碳復合材料、聚合物單體按比例混合均勻后，分散溶于有機溶劑中，加入摻雜劑和引發劑，攪拌反應。將反應產物過濾、洗滌，所得固體真空烘干，即得硫/碳/聚合物復合材料。

步驟1中，單質硫、碳材料按質量比10?:?1～10混合。

步驟1中，加熱過程：100～300℃加熱1～12小時，冷卻至室溫，再100～500℃加熱1～12小時，冷卻至室溫。

步驟2中，硫/碳復合材料、聚合物單體按質量比為5～10?:?1混合。

步驟2中，有機溶劑可選擇三氯甲烷、苯、乙醚、乙醇中的一種或幾種。

步驟2中，摻雜劑可包括對甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、鹽酸、硫酸、硝酸、十二烷基苯磺酸鈉。引發劑可包括雙氧水、三氯化鐵、過硫酸銨、高氯酸鐵。