[发明专利]一种硫化聚合物正极及应用该正极的二次铝电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学和新能源产品的技术领域，涉及一种硫化聚合物的制备及以此硫化聚合物为正极活性物质的二次铝电池，尤其是涉及一种以硫化聚烷基硅氧烷为正极活性物质的二次铝电池及该硫化聚烷基硅氧烷的制备。

背景技术

现代科技的发展对能源的需求越来越高，而能源的紧缺又进一步加剧了能源危机，因此资源丰富、价格低廉且环境友好型的可充蓄电池就成为亟待开发的产品。

新型的铝二次电池是一种安全、高性能、低成本的绿色电池，其以铝或铝合金为负极材料、硫及硫基化合物为正极活性材料。铝、硫材料安全、环保、价格低廉且资源丰富，电池安全性非常好。金属铝理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于金属锂（3862mAh/g），然而其体积比容量为8050mAh/cm3，约为锂（2040mAh/g）的4倍。

作为铝二次电池的正极材料，主链共轭并具有氧化还原活性的聚合物如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯等导电聚合物已经引起关注，但是这类材料有其致命的缺点：比容量低、开路电位小。

发明内容

（一）发明目的

为了解决现有技术的缺陷，本发明采用硫化聚烷基硅氧烷为正极活性材料，制备了一种新型的聚合物铝二次电池。硫化聚烷基硅氧烷聚合物分子中含有大量的S-S键和碳碳共轭双键，具有高比容量，并可减少了充放电过程中硫的流失。

本发明的目的在于，提供一种新型的硫化聚合物的制备方法，可以高效经济地得到硫化聚烷基硅氧烷，为二次铝电池提供高比容量的正极活性材料。

本发明的目的还在于，提供该硫化聚合物用于二次电池的应用。

本发明的目的还在于，提供一种新型的二次铝电池，这种电池的正极活性材料为硫化聚烷基硅氧烷。

本发明制备方法简单，生产成本低，工艺简单，路径绿色环保，具有较高的充放电容量和较好的循环性能及市场前景。

（二）技术方案

为实现上述发明目的，本发明提供一种二次铝电池，包括正极、负极和电解质，其特征在于：

(a)   含硫聚合物的正极，其中，所述含硫聚合物为硫化聚烷基硅氧烷；

(b)   含铝负极；

(c)   非水电解液。

下面是本发明电化学电池优选的负极、正极、电解液的描述。

正极

本发明的电池的正极包括正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。

方案采用的正极活性物质为硫化聚烷基硅氧烷，其分子结构包含硫硫单键和碳碳双键的侧链结构和硅氧基团主链结构：

方案中所述的正极活性物质硫化聚烷基硅氧烷聚合物的制备方法，其包括以下步骤：

将过量的升华硫加入到有机溶剂中，在室温下搅拌5小时，然后缓慢升温至100~400℃，再向溶液中加入聚烷基硅氧烷和催化剂，继续搅拌反应2~14小时，所得黑色产物即为所述硫化聚烷基硅氧烷。

方案所述正极活性物质硫化聚烷基硅氧烷聚合物的制备方法中，催化剂为：氯化锌、氯化硒、氯化碲、有机过氧化物（如过氧化苯甲酰）、氨基甲酸乙酯中的任一种。有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二硫化碳、四氯化碳和苯中的任一种。

方案所述的导电剂包括但不限于石墨基材料、碳基材料和导电聚合物。石墨基材料包括导电石墨KS6，碳基材料包括Super P、Ketjen黑、乙炔黑或炭黑。导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔，或它们的混合物。

方案所述的粘合剂为聚乙烯醇 (PVA)、聚四氟乙烯（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚苯乙烯丁二烯共聚物（SBR）、氟化橡胶和聚氨酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸乙酯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚己内酰胺、聚丁二烯、聚异戊二烯、聚丙烯酸，及其衍生物、混合物或共聚物。

集流体包括但不限于不锈钢、铜、镍、钛、铝。更优选的是碳涂布的铝集流体，更容易覆盖包括正极活性物质的涂层，具有较低的接触电阻，并且可抑制硫化物的腐蚀。

方案所述的二次铝电池还可包括位于正极和负极之间的隔膜。合适的固体多孔隔膜材料包括但不限于：聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯、玻璃纤维滤纸和陶瓷材料。

负极

方案所述的含铝负极活性材料,包括但不限于：铝金属，例如铝箔和沉积在基材上的铝; 铝合金,包括含有选自Li、Na、K、Ca、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn、Sn、Pb、Ma、Ga、In、Cr、Ge中的至少一种元素与Al的合金。

电解液