[发明专利]一种碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合正极、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料科学领域，涉及一种碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合正极及其制备方法。本发明还涉及一种应用该复合正极的二次铝电池。

背景技术

随着电子和通讯设备、电动汽车、风力发电和光伏发电等新电源的快速发展，人类对配套电源的电池性能需求越来越高，迫切需要开发动力电池和储能电池。铝的理论体积比容量为8050mAh/cm³，是锂的4倍，且化学活泼性稳定，是理想的负极材料；硫的理论体积比容量为3467mAh/cm³，是已知能量密度最高的正极材料之一。以铝和硫构成的二次电池是一种资源丰富、无污染、价格低廉、能量密度高、使用安全的储能体系，是二次电池的代表和方向。

硫的电绝缘性导致硫正极活性物质的利用率低，而且二次铝硫电池充放电反应所产生的小分子硫基化合物中间产物易溶解于电解液，从而造成活性物质的不可逆损失和容量衰减，致使电池的自放电率高，循环寿命短，影响了其大规模应用。为了克服单质硫存在的缺陷，目前通常是将单质硫负载到具有高比表面积、高孔隙率及良好导电性能的碳素类材料和导电聚合物中，形成复合正极材料，以限制循环过程中硫基化合物溶入电解液和由此引起的各种负面作用。

其中，聚苯胺具有储存电荷的能力高、对氧和水稳定性好、电化学性能良好、密度小等优点，并且具有可逆的氧化/还原特性，在复合物电极中既可作为导电基质又可作为活性物质，已被用于高分子锂电池及太阳能电池等的电极材料，而纳米结构的聚苯胺结构规整，比表面积大，具有更为优异的物理化学性能。碳纳米管具有导电性好、长径比大等优点，它们之间可以桥搭成天然的导电网络，有利于电子传导和离子扩散。但无序堆积生长的碳纳米管呈现一定团聚结构，缠绕严重，电荷传输效率很低。而且其主要通过碳纳米管表面的吸附负载硫，复合材料中的硫含量低、分布不均匀，能够进入碳管内的硫很少，易溶入电解液，造成活性物质的损失，未能充分发挥碳纳米管管状材料优势。此外，电极中非活性物质导电剂，粘结剂的加入，也使电极的能量密度被大幅削减。

发明内容

（一）  发明目的

本发明的目的在于改进现有碳硫复合材料存在的问题和不足，提供一种碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合材料，其以碳纳米管阵列为骨架，其间复合有硫和聚苯胺，聚苯胺和硫均为纳米结构。

相比无序的碳纳米管，取向性好、排列有序、纯度高、垂直附着于固体导电基底上的碳纳米管阵列，以其有序孔结构和定向排列的纳米管道形成高度有序纳米尺度的三维网络骨架结构，具有比表面巨大、吸附力强、稳定性好、高效的电子转移和电荷传递快等优点。与聚苯胺复合时，聚苯胺在三维网络骨架中以纳米形态有序均匀分布，与碳基骨架紧密复合，进一步增强其导电性。

当热处理的温度超过活性物质硫和聚苯胺的熔点时，聚苯胺将熔融的硫紧密地粘结在导电骨架上。而纳米尺寸的网络结构不但可进一步吸附固定硫，使硫在纳米尺度上与导电骨架相接，极大地提升硫的活性和利用率，而且还可束缚和抑制小分子硫化物等中间产物的溶解，从而减缓硫的流失。同时，聚苯胺作为活性物质的补充，还可提升了电极材料的容量，进而提升电池整体的充放电效率和循环性能。

此外，复合正极中具有高电导率的导电骨架和有粘结作用的聚苯胺，可以避免使用传统的粘结剂和导电剂，能显著提高电极的比容量，电极的能量密度也较高。

本发明的目的在于提供一种碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合正极及其制备方法。

本发明的目的还在于提供一种包括碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合正极的二次铝电池。

（二）  技术方案

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案。

一种碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合正极，包括：

a)    碳纳米管阵列；

b)    导电基底；

c)    纳米聚苯胺；和

d)    含硫活性材料。

方案所述的碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合材料，其特征在于，碳纳米管阵列与导电基底垂直相接形成三维导电网络骨架。

方案所述的碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合材料，其特征在于，所述导电基底包括但不限于碳纤维、石墨、玻态碳、钛、镍、不锈钢、铁、铜、锌、铅、锰、镉、金、银、铂、钽、钨、导电塑料、导电橡胶或高掺杂硅等金属或非金属。

方案所述的碳纳米管阵列-纳米聚苯胺-硫复合材料，其特征在于，所述聚苯胺是以纳米尺度包覆碳纳米管阵列形成碳纳米管阵列-纳米聚苯胺复合结构。