[實(shí)用新型]一種二次鋁電池用石墨烯陣列復(fù)合正極

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201420593180.4
• 申請(qǐng)日: 2014-10-15
• 公開（公告）號(hào): CN204130629U
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙宇光;鐘毓娟;汪清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京中儲(chǔ)新能源有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M10/36
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于電池及能源科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極，還涉及包括該復(fù)合正極的二次鋁電池。

背景技術(shù)

隨著電子和通訊設(shè)備、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新電源的快速發(fā)展，人類對(duì)配套電源的電池性能需求越來越高，迫切需要開發(fā)具有能量高、成本低、壽命長、綠色環(huán)保、電池材料資源豐富以及可循環(huán)利用的動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池。二次鋁硫電池是具有高能量密度的一種新型電池體系，具有很高的應(yīng)用潛力和商業(yè)價(jià)值。

二次鋁硫電池的工作原理是硫與鋁之間的可逆氧化還原反應(yīng)。目前，鋁硫電池的技術(shù)瓶頸在于硫基正極材料存在著活性材料損失、導(dǎo)電性差、還原過程產(chǎn)生的中間體多聚硫化物易溶于電解液、部分溶解的多聚硫化物擴(kuò)散到達(dá)金屬鋁負(fù)極表面產(chǎn)生自放電反應(yīng)及沉積在負(fù)極上使其鈍化等問題。因此，如何改善材料的導(dǎo)電性，并解決充放電中間產(chǎn)物的溶解問題，提高電池的循環(huán)性能，是硫基正極材料的研究重點(diǎn)。

目前的解決思路是將單質(zhì)硫與導(dǎo)電載體復(fù)合。石墨烯是一種準(zhǔn)二維晶格結(jié)構(gòu)的碳素類材料，具有的極大的比表面積，超高的電導(dǎo)率和突出的導(dǎo)熱性能，是理想儲(chǔ)能材料之一。然而，由于石墨烯極易發(fā)生團(tuán)聚，這很大程度上減小了它作為電極材料的表面積，嚴(yán)重降低了其實(shí)際比表面積和作為活性物質(zhì)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(zhì)的吸附量少，利用率低。同時(shí)，受碳基材料多孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)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(shí)際應(yīng)用中加工性能有限等缺點(diǎn)，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(dá)到實(shí)用的程度。

發(fā)明內(nèi)容

（一）發(fā)明目的

本實(shí)用新型的目的在于改進(jìn)上述技術(shù)存在的問題和不足，提供一種基于石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極，所述復(fù)合正極具有三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電骨架，其間均勻負(fù)載有納米尺寸的活性物質(zhì)硫，外層包覆有二氧化鈦，其導(dǎo)電性和穩(wěn)定性大幅提高，由此制備的二次鋁電池具有較高的比容量和良好的循環(huán)性能。

石墨烯陣列呈有序片狀結(jié)構(gòu)和開放孔結(jié)構(gòu)，所形成的納米尺寸的三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電骨架，具有比表面巨大、吸附力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、電子轉(zhuǎn)移和電荷傳遞快等優(yōu)點(diǎn)，能夠充分發(fā)揮石墨烯本身的優(yōu)異特性。其納米尺寸的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的吸附限域作用，同硫復(fù)合時(shí)，不但可提供更多的活性物質(zhì)負(fù)載位，進(jìn)一步吸附固定硫，使硫在納米尺度上與導(dǎo)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(chǎn)物的溶解，從而減緩硫的流失。在含硫材料的表面包覆一層具有離子選擇性的過渡金屬硫化物或氧化物，可防止電極材料與電解液的直接接觸，抑制相轉(zhuǎn)變，改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)一步減小多硫化物及其還原產(chǎn)物在電解液中的溶解，同時(shí)還能對(duì)硫在充放電過程中的體積變化起到一定的緩沖作用，有效提高電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而提高電池的循環(huán)性能。

本實(shí)用新型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(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供了如下技術(shù)方案：

一種基于石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極，包括：

(a)???石墨烯陣列，其特征在于，所述石墨烯垂直生長于導(dǎo)電基底材料上；

(b)??二氧化鈦；和

(c)???硫。

方案所述的基于石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述導(dǎo)電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(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠或高摻雜硅等金屬或非金屬，且導(dǎo)電基底材料優(yōu)選為鈦。

方案所述的基于石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述硫通過熱處理的方式以納米尺寸均勻負(fù)載于導(dǎo)電骨架表面及孔隙中。

方案所述的基于石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述二氧化鈦包覆于石墨烯和硫外層。

方案所述的基于石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極，其特征在于，包含10~15?wt%石墨烯，15~25?wt%二氧化鈦和60~70?wt%硫。

方案所述的基于石墨烯陣列的碳硫復(fù)合正極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：