[发明专利]一种碳硫导电聚合物复合正极、制备方法及二次电池

说明书

技术领域

本发明属于电池材料和新能源领域，涉及一种碳硫导电聚合物复合正极。尤其涉及一种导电聚合物包覆的碳硫复合正极的制备方法及应用此电极制备的二次电池。

背景技术

随着现代科学技术的发展，能源紧缺及环境问题日益凸显，制备原料易得、环境友好及高能量密度的二次电池显得尤为重要，铝硫电池则是符合这一要求的二次电池。铝的能量密度为2980mAh/g，是一种高能量载体，常被用作电池的负极；硫的能量密度为1675mAh/g，是已知能量密度最高的正极材料。然而，单质硫是离子和电子的绝缘体，导电性能差；同时其放电过程中产生的多聚硫化物会溶解于电解液中，造成硫活性物质的流失，使得电池的循环性变差，制约铝硫电池的发展。

碳纳米管是一种具有一维多孔结构和良好导电性能的碳基材料，将其与硫结合后可形成碳纳米管/硫复合材料，利用碳纳米管的多孔及大的比表面积可以吸附活性物质硫及放电过程中产生的多聚硫化物。但一般传统的碳纳米管为一维结构、微米尺寸且比表面积小、负载硫的能力有限，造成复合材料中硫含量低、分布不均匀，制成电池后会有大量的活性物质硫从碳纳米管表面溶解，电池的能量密度会受到影响。碳纳米管海绵是一种三维立体结构的纳米材料，其比表面积大且孔隙结构发达。这种立体结构不仅可以为硫提供良好的网络导电基体，而且纳米级别的孔结构可以更好地吸附活性物质硫及其还原产物，但是，仍会有许多碳纳米管海绵表面的活性物质硫溶解于电解液中，造成活性物质的不可逆流失。

发明内容

（一） 发明目的

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种价廉易得、制备过程简单及稳定环保导电聚合物包覆的碳硫复合正极。该复合材料用聚苯胺包覆碳纳米管海绵表面的单质硫，可进一步提高材料的导电性，阻止表面硫放电产生的多聚硫化物的不可逆流失，提高正极活性物质的利用率，改善正极的循环性能。

本发明的目的还在于提供一种导电聚合物包覆的碳硫复合正极及制备方法。

本发明的目的在于提供一种应用此正极制备的二次铝电池。

（二）  技术方案

为实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案： 

一种碳硫导电聚合物复合正极，包括：

(a) 碳纳米管海绵；

(b) 含硫活性物质；和

 (c)聚苯胺。

方案所述的碳纳米管海绵具有立体网络结构及大比表面积。

方案所述的聚苯胺是通过原位聚合的方法制备而得。

一种方案所述的碳硫导电聚合物复合正极的制备方法，其特征在于：

步骤1 碳纳米管海绵的制备：在容器中加入碳纳米管和十二烷基磺酸钠表面活性剂，通过溶胶凝胶法制得胶状碳纳米管，然后通过与液态二氧化碳溶剂交换制得碳纳米管海绵；

步骤2 碳纳米管海绵—硫复合材料的制备：将制备好的碳纳米管海绵和含硫活性物质按质量比1:5~1:10放入含有氮气的密闭聚四氟乙烯的反应釜中，放置于烘箱中加热到120~300℃使硫充分熔化并扩散到碳纳米管海绵孔隙中，冷却至室温得到碳硫复合正极材料；

步骤3 聚苯胺包覆的碳硫复合正极的制备：将苯胺、磺基水杨酸按质量比1:0.7~1:0.1倒入三口烧瓶中，用盐酸调节pH=0~2之间，超声一段时间后，向其中加入制备好的碳纳米管海绵—硫复合材料，使碳纳米管海绵—硫复合材料与苯胺的质量比为10~40。将一定量过硫酸铵溶于去离子水中，在氮气保护及冰水浴中，用滴液漏斗缓慢滴加到上述反应体系中，滴加时间约为 2~8h，使得过硫酸铵与苯胺的质量比为2~8，反应 8~20h，产物依次用去离子水、甲醇、丙酮洗涤，并于 30~80℃真空干燥 18~30h，得到碳纳米管海绵—硫—聚苯胺复合正极。

其中，上述步骤2中，所述加热硫熔化的方式，其特征在于，采用一次加热到一定温度或加热-降温-加热的方式进行；

上述步骤3中，所述苯胺，其特征在于，是利用粗苯胺经过减压蒸馏而得到的黏稠状无色透明液体。

方案所述的制备方法中碳纳米管海绵、硫、苯胺、过硫酸铵的质量比为1:5~10:100~400:200~2400。

方案还提供一种二次铝电池，包括：

(a)  正极，其特征在于，所述正极为一种碳硫导电聚合物复合正极；

(b)  含铝负极；

(c)  非水含铝电解液。