[實用新型]一種基于垂直取向石墨烯的復(fù)合正極及二次鋁電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420585008.4
• 申請日: 2014-10-11
• 公開（公告）號: CN204189867U
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙宇光;鐘毓娟
• 申請（專利權(quán)）人: 南京中儲新能源有限公司
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池及新能源領(lǐng)域，涉及一種二次鋁電池，尤其涉及一種基于垂直取向石墨烯的復(fù)合正極。

背景技術(shù)

隨著可移動電子和通訊設(shè)備的迅速發(fā)展，二次電池的需求更為迫切，且越來越傾向于密集型、薄型、小型、輕型和高能量密度的電池的開發(fā)。鋁的理論體積比容量為8050mAh/cm³，是鋰的4倍，且化學活潑性穩(wěn)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，鋁硫電池由于資源豐富、無污染、價格低廉、能量密度高、使用安全等優(yōu)勢，是滿足上述要求的二次電池的代表。

由于單質(zhì)硫不導(dǎo)電的自然屬性和放電中間產(chǎn)物在有機電解液中的溶解，容易導(dǎo)致活性物質(zhì)的利用率低，電極鈍化，電池的容量下降，循環(huán)性能差等問題，目前的解決思路是將單質(zhì)硫與導(dǎo)電載體復(fù)合。石墨烯是目前研究較為廣泛的材料之一，它是由碳原子按照sp²雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的二維平面納米碳材料，僅有一個碳原子厚度。理想的單層石墨烯比表面積高達2630m²/g，電子遷移率超過20000cm²/V·s，并且具有極高的機械強度，可有效改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。但是在制備過程中石墨烯極易發(fā)生團聚，目前公開的石墨烯電極材料大多是無序?qū)盈B堆積于基底表面，導(dǎo)致其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的表面積大大降低，比容量和倍率性下降，不能體現(xiàn)石墨烯材料本身的優(yōu)勢。而且由于電極中非活性物質(zhì)導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的加入，也使電極的能量密度被大幅削減。同時，受碳基材料多孔結(jié)構(gòu)和表面化學的限制，硫與碳基質(zhì)表面的相互作用非常弱，造成硫在碳基質(zhì)中分布不均勻，復(fù)合材料仍存在穩(wěn)定性差、含硫量低以及實際應(yīng)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(huán)性能還不能達到實用的程度。

將有機硫化物作為碳前驅(qū)體用于制備含硫碳化材料可得到高穩(wěn)定性的硫正電極。專利CN200910234924.7提供的二次鋁硫電池中，聚丙烯腈與硫混合并加熱發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，形成的硫化聚丙烯腈為一種具有長程π鍵共軛體系聚合物，該聚合物具有較高的比容量。然而，由于上述制備硫化聚丙烯腈的環(huán)化程度不高，所形成的起導(dǎo)電作用的共軛π鍵較少，從而使硫化聚丙烯腈的電導(dǎo)率較低，導(dǎo)致硫正極活性物質(zhì)的利用率低。

發(fā)明內(nèi)容

（一）發(fā)明目的

本發(fā)明的目的在于改進上述技術(shù)存在的問題和不足，提供一種基于垂直取向石墨烯的復(fù)合正極，所述正極以表面包覆聚丙烯腈的垂直取向石墨烯為導(dǎo)電骨架，其間復(fù)合納米尺寸的活性物質(zhì)硫，能有效提高活性物質(zhì)硫的負載量和利用率，由此制備的二次鋁電池比容量高、循環(huán)性好。

垂直取向的石墨烯具有有序片狀結(jié)構(gòu)和開放孔結(jié)構(gòu)，其比表面積巨大、吸附力強、穩(wěn)定性好、電子轉(zhuǎn)移和電荷傳遞快。同聚丙烯腈復(fù)合后，石墨烯表面會包覆一層薄而粗糙的聚丙烯腈，可以有效的提高與硫的接觸面積，在后期通過熱處理負載硫的過程中，硫以納米尺寸均勻地分布在導(dǎo)電骨架的表面和空隙中，使本來粗糙的復(fù)合材料表面變得平滑，且反應(yīng)生成的具有長程π鍵共軛體系聚合物，使得電極的導(dǎo)電性和容量進一步提升。

上述復(fù)合電極所具有的其巨大的比表面積和三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，不僅能大大提高硫的負載量，對硫在充放電過程中的體積變化起到一定的緩沖作用，而且能有效減小離子擴散阻力，提高電子傳輸速率，進而提高活性物質(zhì)硫的電化學利用率。同時，納米尺寸的孔隙結(jié)構(gòu)具有強烈吸附作用，可抑制電池充放電過程中硫的溶出，且聚丙烯腈同硫反應(yīng)生成的硫-碳化學鍵的交聯(lián)作用能限制多硫化物的溶解，抑制穿梭效應(yīng)對電極的破壞，有效提高電池的循環(huán)性能。此外，所述復(fù)合電極無需添加粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，進一步提高了電極的比容量，能量密度也較高。

本發(fā)明的目的還在于提供一種包括所述復(fù)合正極的二次鋁電池。

（二）技術(shù)方案

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

一種基于垂直取向石墨烯的復(fù)合正極，其特征在于，包括：

(a)垂直取向石墨烯，所述取向石墨烯垂直生長于導(dǎo)電基底材料上；

(b)聚丙烯腈；和

(c)硫。

方案所述的基于垂直取向石墨烯的復(fù)合正極，其特征在于，所述導(dǎo)電基底包括碳纖維、石墨、玻態(tài)碳、鈦、鎳、不銹鋼、鐵、銅、鋅、鉛、錳、鎘、金、銀、鉑、鉭、鎢、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠或高摻雜硅中的任意一種。