[发明专利]一种碳纳米管-纳米硫复合材料及其二次铝电池

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，涉及一种碳/硫复合材料的制备及其以此为正极材料的二次铝电池。更具体的说，是涉及一种以碳纳米管和纳米硫形成的复合材料为正极活性材料的二次铝电池。

背景技术

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。金属铝理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于金属锂（3682mAh/g），体积比容量为8050mAh/cm3，约为锂（2040Ah/cm3）的4倍，且化学活泼性相对稳定，是理想的负极材料；元素硫也具有较大的理论能量密度（1670 mAh/g），是已知能量密度最大的正极材料。因此，二次铝硫电池从各方面来说都是一种价格低廉、能量密度高、使用安全的理想电池。

二次铝硫电池基于铝和硫之间的电化学反应，放电过程中，硫-硫键断裂，产生的小分子硫化物溶于电解液，迁移到铝负极，它们可在那形成不溶解的产物，使负极钝化。这种高溶解度还导致有效电极质量损失，造成电池的自放电，增加电解液粘度，影响活性物质的的分布状态。多次循环后造成容量迅速衰减，使电池循环性能很快下降。

此外，单质硫多为粒径在微米级且粒度分布较分散的升华硫产品，直接用这种材料做正极不利于电池性能的发挥。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明结合碳纳米管和纳米硫材料的优点，制备出碳纳米管-纳米硫复合材料，并以此复合材料为正极活性材料制备新型的二次铝电池。这种电池的生产成本低，工艺简单，合成路径绿色环保。

（一）发明目的

本发明的目的在于提供一种碳纳米管/纳米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碳纳米管/硫复合材料作为正极的二次铝电池。这种电池的生产成本低，工艺简单，合成路径绿色环保。

（二）技术方案

为了实现上述目的，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)   含硫活性材料的正极，其中，所述含硫活性材料为碳纳米管-纳米硫复合材料；

(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含有含硫活性材料的正极活性物质、导电剂、粘结剂和集流体。

方案所述的正极活性物质为碳纳米管-纳米硫复合材料。

碳纳米管具有良好的导电性能，利用碳骨架可以实现复合材料体相内的电子传输。而其纳米孔道强烈的毛细管作用力可以实现对活性物质硫以及中间产物的固定。纳米孔道中, 硫与碳壁之间紧密的接触保证了充放电过程中良好的电子传输, 有效地提高了硫的电化学利用率; 介孔孔道对中间产物强烈的吸附作用减小了“穿梭效应”的发生, 有效提高了硫的循环稳定性。此外，碳纳米管还具有巨大的比表面积，可更有效地固定硫及其中间产物, 提高硫的电化学利用率。而纳米硫尺寸小，有利于缩短离子在其中的扩散路径、促进电荷的传输与转移，同时其高比表面积、表面孔隙丰富等特性可以吸附更多的电解液、增加电极与电解液的界面反应位置。因此，以纳米硫代替升华硫更能促进硫容量的发挥，进而电池具有比采用普通硫材料更高的容量。

方案中所述正极活性材料碳纳米管-纳米硫复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：纳米硫溶胶的制备：配置0.1～0.5g/mL的Na2S2O3溶液50～250mL，后向其中逐滴加入质量分数为10%的稀盐酸溶液5mL，边加边搅拌，1小时后即得纳米硫溶胶产物。

碳纳米管/硫复合材料的制备：将充分干燥后的1～5g的碳纳米管缓慢加入纳米硫溶胶中，并持续快速搅拌，加料完毕再继续搅拌1小时，再过滤，80℃下真空干燥10小时，即得碳纳米管/硫复合材料。

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。