[發明專利]一種碳納米管陣列-聚吡咯-硫復合材料

無效

• 申請號: 201410454920.0
• 申請日: 2014-09-09
• 公開（公告）號: CN104201356A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 趙宇光;鐘毓娟
• 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;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/054
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明屬于電池材料科學領域，涉及一種碳納米管陣列-聚吡咯-硫復合材料及其制備方法。本發明還涉及一種采用該復合材料為正極的二次鋁電池。

背景技術

可再生能源并網、電動汽車和智能電網等新能源技術的飛速發展迫切需要開發更高能量密度的儲能體系。二次鋁硫電池作為新興的電池體系，是以金屬鋁為負極，硫或硫基化合物為正極的電池體系，具有資源豐富、無污染、價格低廉、能量密度高、使用安全等特點。鋁的理論體積比容量為8050mAh/cm³，是鋰的4倍，且化學活潑性穩定，是理想的負極材料，而硫的理論體積比容量為3467mAh/cm³，是已知能量密度最高的正極材料之一。然而，由于單質硫不導電的自然屬性和放電中間產物在有機電解液中的溶解，容易導致活性物質的利用率低，電極鈍化，電池的容量下降，循環性能差等問題，解決的途徑之一是將含硫活性物質與具有限域作用、表面吸附作用和導電性高的碳基材料和導電聚合物材料復合。

其中，碳納米管具有導電性好、長徑比大等優點，它們之間可以橋搭成天然的導電網絡，有利于電子傳導和離子擴散，廣泛用于二次電池電極材料。但傳統的碳納米管為無序團聚狀，主要通過碳納米管表面的吸附負載硫，復合材料中的硫含量低、分布不均勻。充放電時，大量硫會從碳納米管的表面直接溶入電解液，造成活性物質的損失，電池能量密度很難提高。但受碳基材料多孔結構和表面化學的限制，硫與碳基質表面的相互作用非常弱，造成硫在碳基質中分布不均勻，這些材料仍然存在穩定性差、含硫量低以及實際應用中加工性能有限等缺點。因此，僅靠碳材料孔隙的限域作用和表面吸附作用難以徹底抑制多聚硫化物的溶解流失，循環性能還不能達到實用的程度。

聚吡咯具有較高的電導率，高儲能能力?、好的穩定性、高電化學氧化還原特性，離子可以在膜內自由傳輸，是一種非常理想的電極材料。但相對炭基電極循環壽命不穩定，在充放電過程中會發生體積的膨脹和收縮，易從電極上脫落。

發明內容

（一）?發明目的

針對上述問題和不足，本發明提供了一種碳納米管陣列-聚吡咯-硫復合材料，所述復合材料以垂直生長在導電基底表面的碳納米管陣列為導電骨架，以此為載體復合硫和聚吡咯活性物質。

碳納米管陣列具有巨大的比表面積可提供更多的負載位，能大大提高硫的負載量；而且由于其有序孔結構和管間空隙構成的三維導電網絡通道為納米尺度，可使含硫活性物質以納米形態均勻分散，同導電骨架緊密復合，有效地提高硫的反應活性，同時，對填充在納米管內和管間空隙的硫，這些納米尺度的有序孔和網絡通道及納米管的長徑可產生比普通碳基材料更“長程”的限域作用和吸附作用，可抑制含硫還原產物的在電解液中溶解，從而減緩硫的流失。

聚吡咯的形貌為表面粗糙的類球狀，先在導電骨架表面包覆一層聚吡咯層，可以有效提高復合材料的比表面積，為硫提供更多的負載空間，有利于實現負載硫含量的提高，同時也有利于抑制穿梭效，提高電極材料的電化學性能。也可先在導電骨架中復合硫，再在其表面包覆一層聚吡咯，既能進一步減緩硫的流失，又能有效促進了電子的傳輸，提升活性材料的利用率。

此外，以所述復合材料作為正極，無需添加導電劑和粘結劑，能顯著提高電極的比容量，電極的能量密度也較高。

本發明的目的在于提供一種碳納米管陣列-聚吡咯-硫復合材料及其制備方法。

本發明的目的還在于提供一種以碳納米管陣列-聚吡咯-硫復合材料為正極的二次鋁電池。

（二）??技術方案

為實現上述發明，提供了如下技術方案。

一種碳硫復合材料，包括：

1)????垂直生長于導電基底表面的碳納米管陣列；

2)????活性物質，其特征在于，所述活性物質包含聚吡咯和硫。

所述的碳硫復合材料，其特征在于，所述碳納米管的管徑為1~50nm，管長1~2000nm，管間距2~100nm。

所述的碳硫復合材料，其特征在于，所述碳納米管陣列的導電基底包括但不限于碳纖維、石墨、玻態碳、鈦、鎳、不銹鋼、鐵、銅、鋅、鉛、錳、鎘、金、銀、鉑、鉭、鎢、導電塑料、導電橡膠或高摻雜硅等金屬或非金屬。

所述的碳硫復合材料，其特征在于，所述活性物質為納米尺寸，均勻分布在導電骨架表面和空隙中。

所述的碳硫復合材料，其特征在于，所述碳硫復合材料中硫、聚吡咯、碳納米管陣列的質量百分比分別為60~80%?、15~30%?、5~10%。