[实用新型]一种基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极及二次铝电池

说明书

技术领域

本发明属于电池及新能源领域，涉及一种基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极。本发明还涉及一种应用该复合正极的二次铝电池。

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更高能量密度的储能体系。二次铝硫电池作为新兴的电池体系，是以金属铝为负极，硫或硫基化合物为正极的电池体系，具有资源丰富、无污染、价格低廉、能量密度高、使用安全等特点。铝的理论体积比容量为8050mAh/cm³，是锂的4倍，且化学活泼性稳定，是理想的负极材料，而硫的理论体积比容量为3467mAh/cm³，是已知能量密度最高的正极材料之一。然而，由于单质硫不导电的自然属性和放电中间产物在有机电解液中的溶解，容易导致活性物质的利用率低，电极钝化，电池的容量下降，循环性能差等问题，解决的途径之一是将含硫活性物质与具有限域作用、表面吸附作用和导电性高的碳基材料和导电聚合物材料复合。

石墨烯是一种准二维晶格结构的碳素类材料，具有的极大的比表面积，超高的电导率和突出的导热性能，是理想储能材料之一。然而，由于石墨烯极易发生团聚，这很大程度上减小了它作为电极材料的表面积，严重降低了其实际比表面积和作为活性物质载体的性能，不但使得电解液难以与石墨烯表面充分接触，而且活性物质的吸附量少，利用率低。

聚吡咯具有较高的电导率，高储能能力 、好的稳定性、高电化学氧化还原特性，离子可以在膜内自由传输，是一种非常理想的电极材料。但相对炭基电极循环寿命不稳定，在充放电过程中会发生体积的膨胀和收缩，易从电极上脱落。

发明内容

（一）  发明目的

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯阵列-聚吡咯-硫三元复合正极，其中石墨烯垂直定向生长在导电基底上，呈三维网络结构，形成电极的导电骨架，其上负载纳米结构的含硫活性物质，然后为聚吡咯所包覆。

石墨烯阵列呈有序片状结构和开放孔结构，形成纳米尺寸的三维网络导电骨架，具有比表面巨大、吸附力强、稳定性好、电子转移和电荷传递快等优点，能够充分发挥石墨烯本身的优异特性。其纳米尺寸的网络结构具有强烈的吸附限域作用，同硫复合时，不但可提供更多的活性物质负载位，进一步吸附固定硫，使硫在纳米尺度上与导电骨架相接，极大地提升硫的活性和利用率，而且还可束缚和抑制小分子硫化物等中间产物的溶解，从而减缓硫的流失。聚吡咯的包覆作用可进一步固定硫，抑制其流失。同时聚吡咯还能作为活性物质的补充，进一步提升电极容量，进而提升电池整体的充放电效率和循环性能。此外，由于电极制备过程中省去了粘结剂和导电剂的添加，可进一步提高电极的比容量。

本发明的目的还在于提供一种包括上述复合正极的二次铝电池。

（二）   技术方案

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极，其特征在于，所述正极以具有导电基底的石墨烯阵列为三维导电骨架，导电骨架中均匀分布含硫活性物质，最外层包覆聚吡咯。

方案所述的基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极，其特征在于，石墨烯竖直生长在导电基底表面。

方案所述的基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极，其特征在于，所述导电基底包括碳纤维、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中的任意一种。

方案所述的基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极，其特征在于，所述含硫活性物质包括单质硫或含有S-S键的有机化合物。

方案所述的基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极，其特征在于，所述含硫活性物质和聚吡咯均为纳米尺寸。

此段删除

方案所述的基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极，其特征在于，包含60~80%的硫，15~30%的聚吡咯和5~15%的石墨烯阵列，所述为质量百分比含量。

方案所述的基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制备石墨烯阵列：通过等离子体增强化学气相沉积在导电基底表面生长石墨烯阵列；

步骤2，复合硫：采用热处理的方式或者采用电化学沉积的方式将硫负载于步骤1所制备的石墨烯阵列中，形成石墨烯阵列-硫复合材料。

步骤3，复合聚吡咯：采用原位聚合法或者电化学沉积的方式在步骤2所制备的石墨烯阵列-硫复合材料表面负载纳米尺度聚吡咯，形成基于石墨烯阵列的复合正极。

本发明还提供了一种二次铝电池，其特征在于：

(a)   权利要求1所述的基于石墨烯阵列的聚吡咯硫正极；