[发明专利]一种基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极的制备及应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料领域，涉及一种基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极的制备方法及一种应用此正极的二次铝电池。

背景技术

随着手机通讯设备、电动汽车、风力发电及火力发电等新能源的迅速发展，对高能量密度、价格低廉及环境友好的电池的要求越来越高。以金属铝或铝合金为正极，硫基材料为负极的电池体系则能符合这些需求。

铝的能量密度为2980 mAh/g，是一种高能量载体，通常被用作电池的负极；而硫的能量密度为1675 mAh/g，是已知能量密度最高的正极材料。但是，单质硫在室温下是绝缘体，且硫-硫键断裂时产生的小分子有机硫化物溶于电解液生成不可逆反应的无序硫导致活性物质流失，导致电池的循环性能变差，制约铝硫二次电池的发展。

为了克服硫单质的缺陷，可向单质硫中添加具有导电性能的碳素材料，形成复合正极，从而提高单质硫的导电性能同时降低循环过程中活性物质的流失。其中，碳纳米管具有导电性能好、长径比大等优点，易形成利于电子传导和离子扩散的网络。但一般传统的碳纳米管为一维结构、微米尺寸及比表面积小，负载硫的能力有限，造成复合材料中硫含量低、分布不均匀，制成电池后会有大量的活性物质硫从碳纳米管表面溶解，电池的能量密度会受到影响。

发明内容

（一）发明目的

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极。所述碳纳米管海绵具有三维网络结构，其内部存在大量孔隙，比表面积大。这种立体结构不仅可为硫提供优良的高导电网络基体，而且纳米尺寸的孔结构对硫的还原产物具有强大的吸附能力，减少了硫化物的溶解。在拥有高容量的同时，维持稳定的正极结构和优良的循环性能。

本发明的另一个目的在于提供一种基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极的制备，该制备方法操作简单、成本低，适于工业化生产。

本发明的目的还在于提供一种应用基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极的二次铝电池。

（二）技术方案

为实现上述发明，本发明提供了一种基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极，包括：

1)    碳基材料，其特征在于，所述碳基材料为三维结构立体网状的碳纳米管海绵；和

2)含硫活性物质。

所述基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极，其特征在于，所述硫活性物质为单质硫(包括但不限于高纯硫或升华硫)或通过化学反应得到的硫溶胶。

所述基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极，其特征在于，所述含硫活性物质通过热熔化渗入碳纳米管海绵中或通过溶胶形式浸渍入碳纳米管海绵中。

所述基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极的制备方法，其特征在于：

步骤1 碳纳米管海绵的制备：在容器中加入碳纳米管和十二烷基磺酸钠表面活性剂，通过溶胶凝胶法制得胶状碳纳米管，然后通过与液态二氧化碳溶剂交换制得碳纳米管海绵；

步骤2 基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极的制备：将制备好的碳纳米管海绵和含硫活性物质按质量比1:5~1:10放入含有氮气的密闭聚四氟乙烯的反应釜中，放置于烘箱中加热到120~300℃使硫充分熔化并扩散到碳纳米管海绵孔隙中，冷却至室温得到碳硫复合正极或把制备好的碳纳米管海绵放入通过化学反应得到的硫溶胶中，通过浸渍得到碳硫复合正极。

其中，步骤2中，所述加热硫熔化的方式，其特征在于，采用一次加热到一定温度或加热-降温-加热的方式进行。

一种二次铝电池，包括：

1) 正极，其特征在于，所述正极为基于碳纳米管海绵的碳硫复合正极；

2) 含铝负极活性材料；

3) 非水含铝电解液。

方案所述的二次铝电池，其特征在于，所述的铝负极材料包括但不限于：金属铝或铝合金，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。

方案所述的二次铝电池，其特征在于，所述非水含铝电解液为有机盐-卤化铝体系，其中有机盐与卤化铝的摩尔比为1:1.1~3.0。