[发明专利]一种基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料、制备方法及二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种正极复合材料，具体涉及一种基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料及其制备方法，以及使用该复合材料作为正极活性物质的二次铝电池，属电池材料与新能源产品领域。

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。二次铝硫电池是符合这些需求的理想电池体系之一。

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。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。

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特征的碳素类材料或导电聚合物中，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。

聚苯胺-硫复合材料是研究最多的复合正极材料之一，它具有以下优点：（1）所用聚苯胺是导电聚合物，聚苯胺-硫复合材料具有导电性，改善了单质硫导电性差的问题，利于电池容量的发挥；（2）聚苯胺自身可以通过电荷转移掺杂与质子化来实现反复充放电，即聚苯胺材料亦可作为正极活性材料使用，进一步增加电池容量；（3）聚苯胺材料具有孔洞，可吸附小分子硫化物等中间产物，抑制硫的流失，改善电池的循环性能。

但现有的普通聚苯胺-硫复合材料也存在以下需改进的地方和不足：（1）传统化学法合成的聚苯胺通常呈聚集态结构，结构规整度差，电导率不高，直接用于二次电池中，会因正极材料整体电导率低而导致的电流密度过小，因此在使用这种普通聚苯胺-硫复合材料制作电池正极时，往往需要添加导电剂来提高正极材料整体的电导率。导电剂的加入虽然改善了正极材料的导电性，但降低了正极材料中活性物质的百分比含量，导致电池容量减小；（2）普通聚苯胺材料表面孔洞的孔径较大，比表面积小，对小分子硫化物等中间产物吸附能力较为一般，因此对活性物质硫流失的抑制、电池循环性能的改善仍有待提高。

发明内容

（一）发明目的

     针对上述现有方案存在的问题，本发明提供了一种基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料。复合材料使用的聚苯胺纳米管阵列，分子排列规整性较普通聚苯胺材料相比有了极大的提高，这种结构上的改变有利于载流子在纳米管内和管间的传输，使其电导率发生突变式增长，具备普通聚苯胺材料无法比拟的电导率优势。该复合材料整体导电性较为优越，用作正极活性材料时，无需添加其他导电剂，不会降低正极材料中活性物质的百分比含量，可增加电池容量。

此外，该复合材料选用的聚苯胺纳米管阵列，聚苯胺材料呈纳米管状，表面具有大量纳米孔结构，孔径小（远小于普通聚苯胺材料的孔径），比表面积更大，因此聚苯胺纳米管阵列对小分子硫化物等中间产物的吸附能力更强，对活性物质硫的固定、硫流失的抑制效果更为明显，可更有效的提高电池的循环性能。

本发明的目的还在于提供一种基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种使用此复合材料作为正极活性材料的容量大、价格经济、环保安全的二次铝电池。

本发明中的术语“二次铝电池”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

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料，包括：

（a）聚苯胺纳米管阵列；

（b）单质硫。

方案所述的基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料中，单质硫以纳米形态分布在聚苯胺纳米管阵列的纳米孔隙中。

方案所述的基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料中，聚苯胺纳米管阵列含量为10～90wt%，单质硫含量为90～10wt%。

 一种基于聚苯胺纳米阵列的硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）聚苯胺纳米管阵列的制备