[发明专利]一种使用双包覆碳硫复合材料正极的二次铝电池

说明书

技术领域

本发明属电化学与新能源产品领域，涉及一种二次铝电池，尤其是涉及一种使用“碳纳米管-硫-石墨烯复合材料”正极的二次铝电池。

背景技术

与现有电极材料相比，地壳储量最多的金属元素铝具有理论密度大、资源丰富、价格低廉、对环境友好、使用安全等优点。金属铝理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于金属锂（3682mAh/g），体积比容量为8050mAh/cm³，约为锂（2040mAh/cm³）的4倍，且化学活泼性相对稳定，是理想的负极材料；元素硫也具有较大的理论能量密度（1670mAh/g），是已知能量密度最大的正极材料。因此，二次铝硫电池从各方面来说都是一种价格低廉、能量密度高、使用安全的理想电池。

二次铝硫电池是通过铝和硫之间可逆的电化学反应来实现电池充放电的，活性物质铝、硫的自身性质直接影响着电池的性能。然而单质硫是典型的电子和离子绝缘体，直接用作正极活性物质材料时导电性能差，活化难度大、利用率低，不利于电池容量的发挥。且放电过程中，产生的小分子硫化物溶于电解质，迁移到铝负极，它们可在那形成不溶解的产物，使负极钝化；这种高溶解度还导致有效电极质量损失，多次循环后造成容量迅速衰减，使电池循环性能很快下降。

因此，想要提高二次铝硫电池性能，一方面要改善含硫正极材料的导电性，提高正极活性物质的利用率，增大电池容量；另一方面要保持正极材料结构的稳定性，抑制小分子硫化物溶解带来的容量的不可逆损失，提高电池的循环性能。

对于铝硫电池正极材料的研究，2005年之前主要集中在聚有机硫化物领域，但由于聚有机硫化物材料活性温度多在50℃以上，制约了电池的使用范围，加上聚有机硫化物材料本身硫含量较低，对电池整体容量提升的效果不明显，致使铝硫电池正极材料的研究重点逐渐转向碳/硫复合材料。。

发明内容

（一）发明目的

本发明的目的在于提供一种新型的容量大、价格经济、环保安全的二次铝电池。

本发明的目的还在于提供一种以碳纳米管、石墨烯包覆单质硫的复合材料作为正极活性材料。

本发明的目的还在于提供一种以“碳纳米管-硫-石墨烯复合材料”为正极活性材料的二次铝电池。

本发明中的术语“二铝次电池”包括例如“铝二次电池”、“二次铝硫电池”、“可充电铝电池”、“铝蓄电池”、“铝储能电池”以及类似的概念。

（二）技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种二次铝电池，包括：

(a)含硫活性材料的正极，其中，所述含硫活性材料为碳纳米管-硫-石墨烯复合材料；

(b)非水含铝电解质；

(c)含铝活性材料的负极。

下面是本发明电化学电池优选的正极、负极、电解质的描述。

正极

本发明的电池的正极包括含有含硫活性材料的正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。其中，术语“含硫活性材料”在这里指包含含硫元素的正极活性物质，其中，电化学活性涉及硫-硫共价键的断裂或形成。

方案所述含硫活性材料的正极活性物质为碳纳米管-硫-石墨烯复合材料。

方案所述碳纳米管-硫-石墨烯复合材料中，硫含量为50～85wt%，石墨烯含量为15～50wt%，碳纳米管含量为15～50wt%，且硫、碳纳米管、石墨烯的含量之和为100%。

方案所述碳纳米管-硫-石墨烯复合材料中，碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中一种；硫为单质硫，包括但不限于高纯硫或升华硫；石墨烯为单层或少层石墨烯。

方案所述碳纳米管-硫-石墨烯复合材料的制备方法如下：

步骤1，碳纳米管-硫复合材料的制备

将碳纳米管与单质硫按比例混合，球磨均匀后，在惰性气体保护下加热一段时间，冷却后制得碳纳米管-硫复合材料。

步骤2，碳纳米管-硫-氧化石墨烯混合物制备 

将碳纳米管-硫复合材料加入氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀后，进行超声分散，得到混合物。

步骤3，碳纳米管-硫-石墨烯复合材料制备

将步骤2中混合物加热至80～95℃，加入还原剂，恒温搅拌6～24h。反应结束后，过滤混合物，得到不溶物，洗涤干燥，即得碳纳米管-硫-石墨烯复合材料。

步骤1中，所述惰性气体保护下的加热温度为130～180℃，加热时间为1～12h。

步骤2中，所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯浓度为0.01mg/ml～10mg/ml。