[实用新型]一种基于石墨烯阵列的碳硫复合电极及二次电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学和新能源产品领域，涉及一种基于石墨烯阵列的碳硫复合电极及其在二次铝电池中的应用。

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，因此铝硫电池由于资源丰富、无污染、价格低廉、能量密度高、使用安全等优势，得到了广泛研究和关注。

硫的电绝缘性和放电中间产物在电解液中的溶解导致电池的循环性能差，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。其中石墨烯和碳纳米管是目前最为常见，也是研究最为广泛的两种碳纳米材料。理想的碳纳米管和石墨烯结构中的碳原子均为sp²杂化键合方式， 二者均具有巨大的比表面积、极高的机械强度和优异的电子传输能力，可有效改善复合材料的导电性能，但是在实际应用中，由于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，比容量和倍率性均较低，不能体现石墨烯材料本身的优势。而碳纳米管和硫复合材料也由于碳纳米管为无序堆积状态，导致硫负载不均匀、接触电阻高，不能完全发挥碳纳米管管状材料的优势，其导电性能得不到最大体现。

发明内容

（一）发明目的

本发明的目的在于改进现有石墨烯和碳纳米管所制备的复合电极存在的问题和不足，提供了一种由石墨烯阵列、碳纳米管和硫组成的复合电极，所述电极是由表面生长有碳纳米管的石墨烯阵列同硫复合制备，具有巨大的比表面积和三维网络导电骨架，能有效提高活性物质硫的负载量和利用率，由此制备的二次铝电池比容量高、循环性好。

相比无序堆叠的石墨烯，石墨烯阵列的有序片状结构和开放孔结构，使其具有比表面巨大、吸附力强、稳定性好、电子转移和电荷传递快等优点，而一维结构的碳纳米管具有良好的电子导电性，其直接生长于石墨烯表面，通过与石墨烯的π-π键作用，可形成具有良好电子导电性的三维多孔导电网络骨架，进一步增大电极材料的比表面积。其巨大的比表面积和三维纳米导电网络，一方面可提供更多的活性物质负载位，使硫的负载量大大提高，比容量增大，同时还可对硫在充放电过程中的体积变化起到一定的缓冲作用；另一方面有利于充放电过程中电解液的浸润，减小离子扩散阻力，提高电子传输速率，进而提高活性物质硫的电化学利用率。而且，由于石墨烯和碳纳米管之间C-S键的存在，能更有效的固定硫和充放电过程中产生的多硫化物，减小“穿梭效应” 的发生，改善电池的循环性能。此外，所述石墨烯阵列具有导电基底，由其所制备的复合电极无需添加粘结剂和导电剂，进一步提高了电极的比容量，能量密度也较高。

本发明的目的还在于提供一种应用此复合电极的二次铝电池。

（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：

一种基于石墨烯阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述复合电极由石墨烯阵列、碳纳米管和硫组成，其中，石墨烯阵列垂直生长于导电基底上，碳纳米管直接生长在石墨烯表面，硫均匀负载于生长有碳纳米管的石墨烯阵列复合材料表面及空隙中。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述导电基底包括碳纤维、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。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述碳纳米管直接生长在石墨烯表面。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述碳纳米管生长在石墨烯表面后与硫通过热熔扩散的方式复合形成三维多孔立体结构。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述硫均匀负载于生长有碳纳米管的石墨烯阵列复合材料表面及空隙中，硫与上述复合材料的质量比为1:5~1:20。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，石墨烯阵列的制备：通过等离子体增强化学气相沉积在导电基底表面生长垂直取向石墨烯；

步骤2，复合碳纳米管： 通过化学气相沉积法在已制备好的垂直取向石墨烯的表面直接生长碳纳米管；