[发明专利]一种聚苯胺纳米管包装金属纳米线阵列/硫复合材料、可控制备方法及应用

说明书

本发明属于锂硫一次电池正极材料的技术领域，具体来说是一种聚苯胺纳米管包装金属纳米线阵列/硫复合材料、可控制备方法及应用。该复合材料为一维纳米阵列结构，复合材料由聚苯胺、金属纳米线和含S材料三组分组成，各组分的质量百分数分别为聚苯胺5‑15%，金属纳米线15‑25%，含S材料60‑80%。金属纳米纤维具有良好的导电性，纳米线阵列能够显著提高锂离子和电子的传输，缓解了循环过程中的体积膨胀，提高电池的比容量。本发明所提供的聚苯胺纳米管包装铁纳米线阵列/硫复合材料具有载硫量高、结构稳定、可进行大功率放电等优点；还具有形貌可控和成分可控的特点。

技术领域

本发明属于锂硫一次电池正极材料的技术领域，具体来说是一种聚苯胺纳米管包装金属纳米线阵列/硫复合材料、可控制备方法及应用。

背景技术

Li-S电池理论体积比能量和质量比能量分别高达2800W·h/L和2600W·h/kg，远高于“摇椅式”锂离子电池。目前，锂硫电池由于其极低的成本、极高的比能量和环境友好性在全世界引起了极大的关注，成为最有前景的动力电池之一。目前，大多数学者倾向于将Li-S电池作为二次电池开发利用，相对忽视了其作为一次电池使用的巨大潜力。实际上，Li-S电池的循环稳定性与商业锂离子电池相比还存在一定差距，尚且难以满足动力电源的实际应用要求。但是该电池体系具有非常高的初始放电比容量，甚至达到理论值，这使得它适合于高比能量一次电池的应用。并且，Li-S电池一经组装即处于满电状态，可直接对负载供电，生产和使用过程都符合一次电池的要求。另一方面，在Li-S一次电池的研发过程中，可以为Li-S二次电池的发展积累更多的理论和实践经验。同时，Li-S系统的可充电特性使其比以前报道的原电池更具竞争力。

目前，开发Li-S一次电池最具挑战性的任务是进一步提高其实际比能量，弥补现有商业化一次电池的不足。这需要在提高活性物质利用率的同时，降低非活性物质的质量比例。目前,Li-S电池中非活性组分电解液的含量占据30％～50％的质量比，远高于锂离子电池中10～20％的用量，是提高电池能量密度的主要障碍。在锂离子电池中，电解液的作用仅仅是传导锂离子以导通内电路；而在Li-S电池中，除了离子传输作用，电解液还需要足够的量来溶解放电中间产物多硫化锂，不断暴露出新鲜的电极界面，以保证放电容量充分发挥。因此，要降低电解液的使用量，须尽可能提高电极内部有效的电化学活性表面积、缩短多硫化锂的传质路径，从而保证优异的电池性能。

现有锂硫电池技术中，主要通过硫正极的改性来克服其固有缺陷。中国专利CN103219519A公开了一种石墨烯/硫复合结构锂硫电池正极材料制备方法，首先制备硫粉、有机胺分散液与石墨烯有机溶剂，将两者混合得到第三分散液，通过滴加水或酸液进行固液分离，最终得到锂硫电池正极材料，该材料虽然在一定程度上改善了锂硫电池的性能，但正极材料中硫的有效负载量低，降低了电池的能量密度；另外，石墨烯材料价格昂贵，增加了电池的制造成本。中国专利：CN106025216A公开了一种可用于锂硫电池正极的生物质碳材料的制备方法，该方法通过对生物质碳材料进行高温碳化、酸处理改性、熔融掺硫等来制备了具有多孔性、吸附性的锂硫电池正极材料，该材料能提高电极材料的导电性、缓解电极材料的体积膨胀，提高了电池的电化学性能，但经过酸处理后的材料的化学稳定性较差。中国专利：CN106663797A公开了一种可用于锂硫电池正极的碳/硫复合材料，该材料具有碳骨架和孔隙交联的共连续结构，并且具有高比表面积，导电性，导热性等优点，但该方法所涉及的碳化过程需要提供很高的温度，制备成本较高。

发明内容

本发明针对上述的技术问题是提供一种锂硫一次电池用纳米正极材料的可控制备方法，具体来讲一种聚苯胺纳米管包装金属纳米线阵列/硫复合材料、可控制备方法及应用。

本发明的技术方案为：