[發明專利]一種納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極及其制備方法

有效

• 申請號: 201410502622.4
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104201358A
• 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;H01M4/52
• 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，涉及一種二次鋁電池復合正極，尤其涉及一種納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極及其制備方法。本發明還涉及一種應用該復合正極的二次鋁電池。

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。

石墨烯是一種準二維晶格結構的碳素類材料，具有的極大的比表面積，超高的電導率和突出的導熱性能，是理想儲能材料之一。然而，由于石墨烯極易發生團聚，這很大程度上減小了它作為電極材料的表面積，嚴重降低了其實際比表面積和作為活性物質載體的性能，不但使得電解液難以與石墨烯表面充分接觸，而且活性物質的吸附量少，利用率低。

聚苯胺具有儲存電荷的能力高、電化學性能良好、密度小、成本低等優點，并且具有可逆的氧化/還原特性，在復合物電極中既可作為導電基質又可作為活性物質，已被廣泛用于電極材料。但在摻雜/脫摻雜過程中可能會發生膨脹和收縮，降低電池的循環壽命。?

發明內容

（一）??發明目的

為解決上述問題及不足，本發明目的在于提供一種納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其中石墨烯豎直生長于導電基底上，呈三維網絡結構，作為電極的導電骨架，其間復合有納米結構的聚苯胺和含硫活性物質。

所述復合正極能夠充分發揮石墨烯本身的優異特性，相比無序堆疊的石墨烯，垂直取向石墨烯的有序片狀結構和開放孔結構，具有比表面巨大、吸附力強、穩定性好、電子轉移和電荷傳遞快等優點。與聚苯胺復合時，聚苯胺在三維網絡骨架中以納米形態有序均勻分布，與碳基骨架緊密復合，進一步增強其導電性。在復合硫的過程中，聚苯胺能將硫緊密地粘結在導電骨架上，同時納米尺寸的網絡結構不但可提供更多的活性物質負載位，進一步吸附固定硫，使硫在納米尺度上與導電骨架相接，極大地提升硫的活性和利用率，而且還可束縛和抑制小分子硫化物等中間產物的溶解，從而減緩硫的流失。此外，聚苯胺還能作為活性物質的補充，進一步提升電極容量，進而提升電池整體的充放電效率和循環性能。由于電極制備過程中省去了粘結劑和導電劑的添加，可進一步提高電極的比容量。

本發明的目的還在于提供一種納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極的制備方法。

本發明的目的還在于提供一種包括所述復合正極的二次鋁電池。

（二）???技術方案

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

一種納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其特征在于，包括：

(a)??????垂直取向石墨烯；

(b)??????導電基底；

(c)??????納米聚苯胺；和

(d)??????含硫活性物質。

方案所述的納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其特征在于，石墨烯豎直生長在導電基底表面。

方案所述的納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其特征在于，所述導電基底包括但不限于碳纖維、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。

方案所述的納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其特征在于，所述聚苯胺是以納米尺度包覆在垂直取向石墨烯表面。

方案所述的納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其特征在于，所述含硫活性物質包括單質硫或含有S-S鍵的有機化合物。

方案所述的納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其特征在于，所述含硫活性物質以納米尺度分布于垂直取向石墨烯中。

方案所述的納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極，其特征在于，包含60~80%的硫，15~30%的聚苯胺和5~10%的垂直取向石墨烯，所述為質量百分比含量。

方案還提供一種納米聚苯胺包覆的碳硫復合正極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，制備垂直取向石墨烯：通過等離子體增強化學氣相沉積在導電基底表面生長垂直取向石墨烯；