[实用新型]一种碳硫复合正极和二次铝电池

说明书

技术领域

本发明属于电池材料科学领域，涉及一种碳硫复合正极，具体的涉及一种表面包覆石墨烯的硫/碳纳米管阵列复合正极及包括该正极的二次铝电池。 

背景技术

可充铝电池作为一种新型绿色化学电源，具有高比能、安全、价廉、无污染等特点，有望成为新一代高容量蓄电的动力电池和储能体系。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。 

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，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，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。但传统的碳纳米管为无序团聚状，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。同时附着在碳纳米管表面的硫，一方面导致复合材料的接触电阻增大，电极倍率性较低，另一方面在充放电过程中会直接溶入电解液，造成活性物质的损失，电池能量密度减小。 

石墨烯是一种二维平面纳米碳材料，具有高比表面积，高电导率，高机械强度和高导热性，是理想储能材料。石墨烯包覆硫材料可有效抑制电极活性物质硫的流失。但是，由于制备过程中石墨烯极易发生团聚，石墨烯片层易堆叠，导致其导电网络的表面积大大降低，不能表现出石墨烯材料本身的优势。 

发明内容

（一） 发明目的 

本发明的目的在于解决现有电极存在的硫负载量偏低，比容量偏小，能量密度低、循环性能不佳等问题，提供一种制备工艺简单、比容量高、倍率性高、循环性能好的复合正极。 

碳纳米管阵列排列有序，长径比高、取向性好、纯度高，避免了应用无序堆积的碳纳米管所产生的硫负载不均匀、接触电阻高等劣势，能充分发挥碳纳米管管状材料优势。采用热处理方式负载活性物质硫时，其巨大的比表面积和纳米尺寸可提供更多的负载位，能大大提高硫的负载量和分散均匀度，有效地提高硫的反应活性。同时，对填充在纳米管内和管间空隙的硫，纳米管的长径可产生比普通碳基材料更“长程”的限域作用和吸附作用，可进一步抑制电池充放电过程中硫的溶出，从而减缓硫的流失。而均匀包覆在外层的石墨烯，能有效降低硫/碳纳米管阵列外表面上负载的单质硫所引起的接触电阻，可进一步提高活性物质硫的利用率，改善高倍率充放电性能。而且，石墨烯的包覆可进一步吸附、阻挡、抑制中间产物硫基化合物的溶解流失，有效提高电池的充放电循环性能。此外，由于无外加导电剂和粘结剂，能显著提高电极的比容量，电极的能量密度也较高。 

本发明的目的还在于提供一种包括上述复合正极的二次铝电池。 

（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：

一种碳硫复合正极，包括碳纳米管阵列、单质硫和石墨烯，其特征在于，所述碳纳米管阵列垂直生长于导电基底上；所述单质硫通过热熔扩散方式均匀负载于碳纳米管阵列表面及纳米孔径中，形成碳纳米管阵列/硫复合材料；所述石墨烯均匀包覆在碳纳米管阵列/硫复合材料表面。

方案所述的碳硫复合正极，其特征在于，所述碳纳米管阵列，碳纳米管的管径为1~50nm，管长1~2000nm，管间距2~100nm。 

方案所述的碳硫复合正极，其特征在于，所述导电基底材料包括碳纤维、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中的任意一种。 

 

方案所述的碳硫复合正极，其特征在于，所述石墨烯为片层结构，且包覆的石墨烯小于10片层。 

方案所述的碳硫复合正极，其特征在于，包括70~80wt%硫，10~20 wt %碳纳米管阵列，1-20 wt %石墨烯。 

 

方案还提供一种二次铝电池，包括： 

(a)   权利要求1中所述的复合正极；

(b)   含铝负极活性材料；

(c)   非水含铝电解液。