[实用新型]一种二次铝电池用碳硫复合正极

说明书

技术领域

本实用新型属于电化学和新能源产品领域，涉及一种二次铝电池用碳硫复合正极及其应用。

背景技术

随着电子和通讯设备、电动汽车、风力发电和光伏发电等新电源的快速发展，人类对配套电源的电池性能需求越来越高，迫切需要开发动力电池和储能电池。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；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。以铝和硫构成的二次电池是一种资源丰富、无污染、价格低廉、能量密度高、使用安全的储能体系，是二次电池的代表和方向。

硫的电绝缘性导致硫正极活性物质的利用率低，而且二次铝硫电池充放电反应所产生的小分子硫基化合物中间产物易溶解于电解液，从而造成活性物质的不可逆损失和容量衰减，致使电池的自放电率高，循环寿命短，影响了其大规模应用。

为了克服单质硫存在的缺陷，目前通常是将单质硫负载到具有高比表面积、高孔隙率及良好导电性能的碳素类材料中，形成复合正极材料，以限制循环过程中硫基化合物溶入电解液和由此引起的各种负面作用。石墨烯和多孔炭是目前研究较为广泛的材料。石墨烯仅有一个碳原子厚度，理想的单层石墨烯比表面积高达2630m²/g，电子迁移率超过20000cm²/Vs，并且具有极高的机械强度，可有效改善复合材料的导电性能。多孔炭的引入，能很好的改善多硫化物的溶解和提高硫的导电性。

发明内容

（一）  发明目的

本实用新型的目的在于改进现有电极存在的硫负载量偏低，比容量偏小，能量密度低，容量衰减快等问题，提供一种二次铝电池用碳硫复合正极，所述复合正极由具有微纳结构的多孔碳包覆于石墨烯阵列和单质硫复合材料表面所形成，具有三维导电网络结构，载硫量大，正极活性物质硫利用率高，电池循环性能好等优点。

（二）  技术方案

为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种二次铝电池用碳硫复合正极，由石墨烯阵列、多孔炭和单质硫组成，其特征在于，具有三维网络导电结构，其中，石墨烯阵列垂直生长于导电基底表面，单质硫负载于石墨烯阵列表面及空隙间，微纳结构的多孔炭均匀包覆在最外层。

方案所述的二次铝电池用碳硫复合正极，其特征在于，所述复合正极省却了导电剂、粘结剂和集流体。

方案所述的二次铝电池用多孔碳包覆取向碳纳米管/硫复合正极，其特征在于，所述导电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。

方案所述的二次铝电池用碳硫复合正极，其特征在于，所述多孔碳层厚度为5-20nm；所述多孔碳为微孔碳结构，孔径≤2nm，且孔结构之间相互贯通。

方案所述的二次铝电池用碳硫复合正极的具体制备如下：先通过等离子体增强化学气相沉积在导电基底4表面垂直生长石墨烯阵列3，再采用热处理的方式在石墨烯阵列表面及空隙间负载单质硫2，然后于石墨烯阵列和单质硫表面包覆多孔炭层1，最后将所得复合材料烘干裁成适合尺寸的正极片即可。

（三）  有益效果

本实用新型提供了二次铝电池用碳硫复合正极，具有以下优点：石墨烯阵列所形成的三维网络结构具有比表面积巨大、吸附力强、稳定性好、电子转移和电荷传递快等优点，活性物质硫以纳米尺寸均匀地分布在石墨烯阵列的表面和空隙中，大大提高了硫的负载量和硫的接触面积，同时还提供了有效的导电网络和通畅的离子通道；多孔炭的包覆，使得分布在石墨烯阵列空隙中的游离硫由于包覆了导电层从而能在充放电过程中进行电子转移，同时也进一步抑制了多硫化物的溶解，其与石墨烯阵列的协同作用，实现了对正极活性材料硫的固定、抑制，减缓了硫的流失，能有效提高电池的循环性能；另外，由于电极中省却了粘结剂、导电剂和集流体，使得制备工序简单、成本低廉，同时也提高了电池的能量密度。

附图说明 

图1是本实用新型所述的复合正极结构示意图。

其中，1—多孔炭，2—硫，3—石墨烯阵列，4—导电基底。

具体实施方式 

以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。下面的实施例描述了本实用新型的几种实施方式，它们仅是说明性的，而非限制性的。