[實用新型]一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420655367.2
• 申請日: 2014-11-05
• 公開（公告）號: CN204156001U
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 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;H01M4/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型屬于電化學(xué)和新能源產(chǎn)品領(lǐng)域，涉及一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著電子和通訊設(shè)備、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新電源的快速發(fā)展，人類對配套電源的電池性能需求越來越高，迫切需要開發(fā)動力電池和儲能電池。鋁的理論體積比容量為8050mAh/cm³，是鋰的4倍，且化學(xué)活潑性穩(wěn)定，是理想的負(fù)極材料；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。以鋁和硫構(gòu)成的二次電池是一種資源豐富、無污染、價格低廉、能量密度高、使用安全的儲能體系，是二次電池的代表和方向。

硫的電絕緣性導(dǎo)致硫正極活性物質(zhì)的利用率低，而且二次鋁硫電池充放電反應(yīng)所產(chǎn)生的小分子硫基化合物中間產(chǎn)物易溶解于電解液，從而造成活性物質(zhì)的不可逆損失和容量衰減，致使電池的自放電率高，循環(huán)壽命短，影響了其大規(guī)模應(yīng)用。

為了克服單質(zhì)硫存在的缺陷，目前通常是將單質(zhì)硫負(fù)載到具有高比表面積、高孔隙率及良好導(dǎo)電性能的碳素類材料中，形成復(fù)合正極材料，以限制循環(huán)過程中硫基化合物溶入電解液和由此引起的各種負(fù)面作用。石墨烯和多孔炭是目前研究較為廣泛的材料。石墨烯僅有一個碳原子厚度，理想的單層石墨烯比表面積高達(dá)2630m²/g，電子遷移率超過20000cm²/Vs，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。多孔炭的引入，能很好的改善多硫化物的溶解和提高硫的導(dǎo)電性。

發(fā)明內(nèi)容

（一）??發(fā)明目的

本實用新型的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有電極存在的硫負(fù)載量偏低，比容量偏小，能量密度低，容量衰減快等問題，提供一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，所述復(fù)合正極由具有微納結(jié)構(gòu)的多孔碳包覆于石墨烯陣列和單質(zhì)硫復(fù)合材料表面所形成，具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，載硫量大，正極活性物質(zhì)硫利用率高，電池循環(huán)性能好等優(yōu)點。

（二）??技術(shù)方案

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

一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由石墨烯陣列、多孔炭和單質(zhì)硫組成，其特征在于，具有三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其中，石墨烯陣列垂直生長于導(dǎo)電基底表面，單質(zhì)硫負(fù)載于石墨烯陣列表面及空隙間，微納結(jié)構(gòu)的多孔炭均勻包覆在最外層。

方案所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述復(fù)合正極省卻了導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體。

方案所述的二次鋁電池用多孔碳包覆取向碳納米管/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。

方案所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述多孔碳層厚度為5-20nm；所述多孔碳為微孔碳結(jié)構(gòu)，孔徑≤2nm，且孔結(jié)構(gòu)之間相互貫通。

方案所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極的具體制備如下：先通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積在導(dǎo)電基底4表面垂直生長石墨烯陣列3，再采用熱處理的方式在石墨烯陣列表面及空隙間負(fù)載單質(zhì)硫2，然后于石墨烯陣列和單質(zhì)硫表面包覆多孔炭層1，最后將所得復(fù)合材料烘干裁成適合尺寸的正極片即可。

（三）??有益效果

本實用新型提供了二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，具有以下優(yōu)點：石墨烯陣列所形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有比表面積巨大、吸附力強、穩(wěn)定性好、電子轉(zhuǎn)移和電荷傳遞快等優(yōu)點，活性物質(zhì)硫以納米尺寸均勻地分布在石墨烯陣列的表面和空隙中，大大提高了硫的負(fù)載量和硫的接觸面積，同時還提供了有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和通暢的離子通道；多孔炭的包覆，使得分布在石墨烯陣列空隙中的游離硫由于包覆了導(dǎo)電層從而能在充放電過程中進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，同時也進(jìn)一步抑制了多硫化物的溶解，其與石墨烯陣列的協(xié)同作用，實現(xiàn)了對正極活性材料硫的固定、抑制，減緩了硫的流失，能有效提高電池的循環(huán)性能；另外，由于電極中省卻了粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和集流體，使得制備工序簡單、成本低廉，同時也提高了電池的能量密度。

附圖說明?

圖1是本實用新型所述的復(fù)合正極結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1—多孔炭，2—硫，3—石墨烯陣列，4—導(dǎo)電基底。

具體實施方式?

以下將結(jié)合實施例和附圖對本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。下面的實施例描述了本實用新型的幾種實施方式，它們僅是說明性的，而非限制性的。