[發明專利]一種基于碳納米管海綿的碳硫復合正極的制備及應用

無效

• 申請號: 201410435935.2
• 申請日: 2014-08-29
• 公開（公告）號: CN104201352A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 趙宇光;汪清
• 申請（專利權）人: 南京中儲新能源有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明屬于電池材料領域，涉及一種基于碳納米管海綿的碳硫復合正極的制備方法及一種應用此正極的二次鋁電池。

背景技術

隨著手機通訊設備、電動汽車、風力發電及火力發電等新能源的迅速發展，對高能量密度、價格低廉及環境友好的電池的要求越來越高。以金屬鋁或鋁合金為正極，硫基材料為負極的電池體系則能符合這些需求。

鋁的能量密度為2980?mAh/g，是一種高能量載體，通常被用作電池的負極；而硫的能量密度為1675?mAh/g，是已知能量密度最高的正極材料。但是，單質硫在室溫下是絕緣體，且硫-硫鍵斷裂時產生的小分子有機硫化物溶于電解液生成不可逆反應的無序硫導致活性物質流失，導致電池的循環性能變差，制約鋁硫二次電池的發展。

為了克服硫單質的缺陷，可向單質硫中添加具有導電性能的碳素材料，形成復合正極，從而提高單質硫的導電性能同時降低循環過程中活性物質的流失。其中，碳納米管具有導電性能好、長徑比大等優點，易形成利于電子傳導和離子擴散的網絡。但一般傳統的碳納米管為一維結構、微米尺寸及比表面積小，負載硫的能力有限，造成復合材料中硫含量低、分布不均勻，制成電池后會有大量的活性物質硫從碳納米管表面溶解，電池的能量密度會受到影響。

發明內容

（一）發明目的

本發明的目的在于克服現有技術存在的問題，提供一種基于碳納米管海綿的碳硫復合正極。所述碳納米管海綿具有三維網絡結構，其內部存在大量孔隙，比表面積大。這種立體結構不僅可為硫提供優良的高導電網絡基體，而且納米尺寸的孔結構對硫的還原產物具有強大的吸附能力，減少了硫化物的溶解。在擁有高容量的同時，維持穩定的正極結構和優良的循環性能。

本發明的另一個目的在于提供一種基于碳納米管海綿的碳硫復合正極的制備，該制備方法操作簡單、成本低，適于工業化生產。

本發明的目的還在于提供一種應用基于碳納米管海綿的碳硫復合正極的二次鋁電池。

（二）技術方案

為實現上述發明，本發明提供了一種基于碳納米管海綿的碳硫復合正極，包括：

1)????碳基材料，其特征在于，所述碳基材料為三維結構立體網狀的碳納米管海綿；和

2)含硫活性物質。

所述基于碳納米管海綿的碳硫復合正極，其特征在于，所述硫活性物質為單質硫(包括但不限于高純硫或升華硫)或通過化學反應得到的硫溶膠。

所述基于碳納米管海綿的碳硫復合正極，其特征在于，所述含硫活性物質通過熱熔化滲入碳納米管海綿中或通過溶膠形式浸漬入碳納米管海綿中。

所述基于碳納米管海綿的碳硫復合正極的制備方法，其特征在于：

步驟1?碳納米管海綿的制備：在容器中加入碳納米管和十二烷基磺酸鈉表面活性劑，通過溶膠凝膠法制得膠狀碳納米管，然后通過與液態二氧化碳溶劑交換制得碳納米管海綿；

步驟2?基于碳納米管海綿的碳硫復合正極的制備：將制備好的碳納米管海綿和含硫活性物質按質量比1:5~1:10放入含有氮氣的密閉聚四氟乙烯的反應釜中，放置于烘箱中加熱到120~300℃使硫充分熔化并擴散到碳納米管海綿孔隙中，冷卻至室溫得到碳硫復合正極或把制備好的碳納米管海綿放入通過化學反應得到的硫溶膠中，通過浸漬得到碳硫復合正極。

其中，步驟2中，所述加熱硫熔化的方式，其特征在于，采用一次加熱到一定溫度或加熱-降溫-加熱的方式進行。

一種二次鋁電池，包括：

1)?正極，其特征在于，所述正極為基于碳納米管海綿的碳硫復合正極；

2)?含鋁負極活性材料；

3)?非水含鋁電解液。

方案所述的二次鋁電池，其特征在于，所述的鋁負極材料包括但不限于：金屬鋁或鋁合金，鋁合金包括含有選自Li、Na、K、Ca、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Sn、Pb、Ma、Ga、In、Cr、Ge中的至少一種元素與Al的合金。

方案所述的二次鋁電池，其特征在于，所述非水含鋁電解液為有機鹽-鹵化鋁體系，其中有機鹽與鹵化鋁的摩爾比為1:1.1~3.0。