[发明专利]一种基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极及应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学和新能源产品领域，涉及一种基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极及制备方法，更涉及一种采用此复合正极制备的二次铝电池。

背景技术

可再生能源并网，电动汽车和智能电网等新能源技术的飞速发展迫切需要开发高能量密度的储能体系。铝的理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于锂（3682mAh/g），且化学活泼性相对稳定，是理想的负极材料；硫具有1675mAh/g的理论能量密度，是已知能量密度最高的正极材料，二者构成的铝硫电池体系是一种新兴的高能量密度电池体系。但是，硫电导率低、循环性能差等缺点严重限制了其使用。因此，把单质硫和具有导电性能的碳基材料相结合可以提高材料的导电性能及利用率。

碳纳米纤维是一种具有优良导电性能的材料，具有比表面积大，力学性能好，长径比大等优点，碳纳米纤维相互交错可以形成具有“限域”作用的导电网络，有利于离子的传递并抑制硫还原产物的溶解。然而，传统的碳纳米纤维多为无序状，易团聚，造成其有效比表面积减小，严重影响材料对硫的负载量，同时硫在碳材料中的分布不均匀，硫活性物质利用率低；充放电时，碳纳米纤维表面会有大量硫活性物质变成多聚硫化物溶解于电解液中。

发明内容

（一）发明目的

针对上述问题和不足，本发明的目的在于提供一种基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极。该复合正极是由有序生长的碳纳米纤维代替传统易团聚的的碳纳米纤维，碳纳米纤维垂直生长在导电基底材料上，并通过热熔扩散硫复合而得。碳纳米纤维阵列排列有序，取向性好，其排列形成的材料间管道及材料本身的孔结构均为纳米尺度，可使单质硫以纳米形态均匀分布其中，与导电材料更加紧密地结合，提高硫的反应活性。同时，碳纳米纤维排列形成的有序通道可以产生比普通碳材料更“长程”的限域作用，抑制多聚硫化物的溶解；另一方面有利于离子、电子的传输，提高正极材料的导电性。

此外，由于无外加导电剂和粘结剂，能显著提高电极的比容量，电极的能量密度也较高。

本发明的目的还在于提供一种基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极及制备方法。

本发明的目的还在于提供一种以此复合正极制备的二次铝电池。

（二）技术方案

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极，包括：

(a) 导电基底；

(b) 碳纳米纤维阵列；

(c) 硫。

方案所述的基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极，其特征在于，所述碳纳米纤维阵列的基底材料包括但不限于碳纤维、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等金属或非金属。

方案所述的基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极，其特征在于，所述复合正极是通过化学气相沉积在导电基体上定向生长碳纳米纤维阵列后，通过热熔扩散硫复合而得。

方案所述的基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极，其特征在于，所述碳纳米纤维阵列的直径为50~400nm，长度为2~50μm。

方案所述的基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极，其特征在于，所述硫通过热熔扩散的方式和碳纳米纤维阵列复合。

一种方案所述的基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，碳纳米纤维阵列的制备：采用化学气相沉积法，以乙炔为反应气体，加催化剂前驱体在导电基底表面制备定向生长的碳纳米纤维阵列；

步骤2，基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极的制备：将制备好的碳纳米纤维阵列和单质硫按质量比1:5~1:10放入含有氮气的密闭聚四氟乙烯的反应釜中，置于烘箱中加热到120~300℃使硫充分熔化并扩散，冷却至室温得到基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极。

方案所述的基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极的制备方法，其特征在于，步骤1中的催化剂前驱体为铜溶胶或酒石酸铜。

方案所述的基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极的制备方法，其特征在于，采用一次加热到一定温度或加热-降温-加热的方式对硫进行加热熔化。

一种二次铝电池，包括：

(a)正极，其特征在于，所述正极为基于碳纳米纤维阵列的碳硫复合正极；

(b)含铝负极活性材料；

(c) 非水含铝电解液。

方案所述的二次铝电池，其特征在于，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。