[發(fā)明專利]一種基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極及應用

無效

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• 申請日: 2014-10-08
• 公開（公告）號: CN104332592A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發(fā)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: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/139;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/05
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技術領域

本發(fā)明屬于電化學和新能源產品領域，涉及一種基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極及制備方法，更涉及一種采用此復合正極制備的二次鋁電池。

背景技術

可再生能源并網(wǎng)，電動汽車和智能電網(wǎng)等新能源技術的飛速發(fā)展迫切需要開發(fā)高能量密度的儲能體系。鋁的理論能量密度高達2980mAh/g，僅次于鋰（3682mAh/g），且化學活潑性相對穩(wěn)定，是理想的負極材料；硫具有1675mAh/g的理論能量密度，是已知能量密度最高的正極材料，二者構成的鋁硫電池體系是一種新興的高能量密度電池體系。但是，硫電導率低、循環(huán)性能差等缺點嚴重限制了其使用。因此，把單質硫和具有導電性能的碳基材料相結合可以提高材料的導電性能及利用率。

碳納米纖維是一種具有優(yōu)良導電性能的材料，具有比表面積大，力學性能好，長徑比大等優(yōu)點，碳納米纖維相互交錯可以形成具有“限域”作用的導電網(wǎng)絡，有利于離子的傳遞并抑制硫還原產物的溶解。然而，傳統(tǒng)的碳納米纖維多為無序狀，易團聚，造成其有效比表面積減小，嚴重影響材料對硫的負載量，同時硫在碳材料中的分布不均勻，硫活性物質利用率低；充放電時，碳納米纖維表面會有大量硫活性物質變成多聚硫化物溶解于電解液中。

發(fā)明內容

（一）發(fā)明目的

針對上述問題和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極。該復合正極是由有序生長的碳納米纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)易團聚的的碳納米纖維，碳納米纖維垂直生長在導電基底材料上，并通過熱熔擴散硫復合而得。碳納米纖維陣列排列有序，取向性好，其排列形成的材料間管道及材料本身的孔結構均為納米尺度，可使單質硫以納米形態(tài)均勻分布其中，與導電材料更加緊密地結合，提高硫的反應活性。同時，碳納米纖維排列形成的有序通道可以產生比普通碳材料更“長程”的限域作用，抑制多聚硫化物的溶解；另一方面有利于離子、電子的傳輸，提高正極材料的導電性。

此外，由于無外加導電劑和粘結劑，能顯著提高電極的比容量，電極的能量密度也較高。

本發(fā)明的目的還在于提供一種基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極及制備方法。

本發(fā)明的目的還在于提供一種以此復合正極制備的二次鋁電池。

（二）技術方案

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極，包括：

(a)?導電基底；

(b)?碳納米纖維陣列；

(c)?硫。

方案所述的基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極，其特征在于，所述碳納米纖維陣列的基底材料包括但不限于碳纖維、石墨、玻態(tài)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。

方案所述的基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極，其特征在于，所述復合正極是通過化學氣相沉積在導電基體上定向生長碳納米纖維陣列后，通過熱熔擴散硫復合而得。

方案所述的基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極，其特征在于，所述碳納米纖維陣列的直徑為50~400nm，長度為2~50μm。

方案所述的基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極，其特征在于，所述硫通過熱熔擴散的方式和碳納米纖維陣列復合。

一種方案所述的基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，碳納米纖維陣列的制備：采用化學氣相沉積法，以乙炔為反應氣體，加催化劑前驅體在導電基底表面制備定向生長的碳納米纖維陣列；

步驟2，基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極的制備：將制備好的碳納米纖維陣列和單質硫按質量比1:5~1:10放入含有氮氣的密閉聚四氟乙烯的反應釜中，置于烘箱中加熱到120~300℃使硫充分熔化并擴散，冷卻至室溫得到基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極。

方案所述的基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極的制備方法，其特征在于，步驟1中的催化劑前驅體為銅溶膠或酒石酸銅。

方案所述的基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極的制備方法，其特征在于，采用一次加熱到一定溫度或加熱-降溫-加熱的方式對硫進行加熱熔化。

一種二次鋁電池，包括：

(a)正極，其特征在于，所述正極為基于碳納米纖維陣列的碳硫復合正極；

(b)含鋁負極活性材料；

(c)?非水含鋁電解液。

方案所述的二次鋁電池，其特征在于，還可包括位于正極和負極之間的隔膜。合適的固體多孔隔膜材料包括但不限于：聚烯烴如聚乙烯和聚丙烯、玻璃纖維濾紙和陶瓷材料。