[发明专利]一种二次铝硫电池正极材料、电池及其制备方法

说明书

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种高性能可充电铝硫电池正极材料和电池及其制备方法。本发明中用聚(硫‑r‑苯烯)作为铝硫电池正极材料，所述苯烯选自苯乙烯、苯丙烯、1,3二异丙烯苯或1,2二苯乙烯，正极材料还包括导电剂、粘合剂和集流体；通过制备电极浆料、电极极片和电池袋，制得的铝硫电池的最大放电比容量能够达到600mAh/g，放电平台稳定在0.9V；且电极材料制备方法简单、成本低，可广泛应用于诸多领域，如便携式电子设备、电动汽车、通讯产业等。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种二次铝硫电池和其正极材料及其制备方法。

背景技术

二次电池也称为可充电电池，是一种可重复充放电、使用多次的电池。相比于不可重复使用的一次电池，二次电池具有使用成本低、对环境污染小的优点。目前常见的二次电池种类有镍氢电池、镍铬电池、铅酸电池、锂离子电池，其中尤其以锂离子电池应用最为广泛。但锂元素储量极低，而且锂离子常用有机电解液易燃易爆，安全性较差，因此急需发展新的储能体系。在各种电池技术中，铝离子电池由于铝的丰度高、成本低、安全性高而备受关注。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之一。无论是单质硫直接作为电极，或者是硫基化合物，与传统的正极材料相比在以下几个方面都有着极大的优势：(1)理论比容量大；(2)自然界中储量丰富，容易获得，价格低廉；(3)安全无毒，对环境污染小；(4)合成工艺简单，可与多种物质进行合成。硫作为一种理想的电池正极材料，与铝负极配合可构成价格低廉且资源丰富、无污染、使用安全、高能量密度的铝硫电池。

1980年代Marassi课题组使用高温(150～250℃)离子液体作为电解液，报导了单质硫(S₈)可与四氯铝酸(AlCl₄^-)或氯离子(Cl^-)反应进行氧化还原反应，同时提出铝硫电池的工作原理，但由于使用高温型离子液体电解液，限制了其应用范围，随后相关研究也少有报导。Licht等人于90年代开发了一种在常温下能快速放电的新型含S高比能碱性水溶液铝硫电池(US Pat：5431881，4828492，5648183)，该电池以铝合金为阳极，以溶解于碱性电解液中的聚硫化物为阴极。但由于铝阳极极化和电解液系统的不完善，实际中开发出的铝硫电池只有1.3V的电池开路电位和110Wh/kg的能量密度。此外，由于铝的还原电位比氢负，不能在水溶液中电沉积铝。因此，使用水溶液电解质的铝电池无法充电还原，只能是一次电池。

2015年开始美国康奈尔大学Archer课题组、美国马里兰大学王春生课题组与美国德克萨斯大学奥斯汀分校Manthiram课题组先后设计了数种硫与碳材料的复合结构，使用常温离子液体AlCl₃/EMImCl为电解液，用以研究铝硫单电池的电化学性能，实验结果展示出常温下铝硫电池具有高能量密度(达650-1700Wh/kg)，放电平台在0.75-1.2V。但上述研究结果都指出这些铝硫电池的循环寿命不佳，在充放电循环约20次后，单电池的放电比容量已衰减一半以上。