一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由石墨烯陣列、多孔炭和單質(zhì)硫組成，其中，石墨烯陣列垂直生長于導(dǎo)電基底表面，單質(zhì)硫負(fù)載于陣列表面及空隙間，微納結(jié)構(gòu)的多孔炭包覆在最外層。所述復(fù)合正極省卻了導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體，具有工序簡單，成本低廉，容量和循環(huán)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】-種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于電化學(xué)和新能源產(chǎn)品領(lǐng)域，涉及一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極 及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子和通訊設(shè)備、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新電源的快速發(fā)展，人類 對配套電源的電池性能需求越來越高，迫切需要開發(fā)動力電池和儲能電池。鋁的理論體積 比容量為8050mAh/cm3,是鋰的4倍，且化學(xué)活潑性穩(wěn)定，是理想的負(fù)極材料；硫的理論體積 比容量為3467mAh/cm3,是已知能量密度最高的正極材料之一。以鋁和硫構(gòu)成的二次電池是 一種資源豐富、無污染、價格低廉、能量密度高、使用安全的儲能體系，是二次電池的代表和 方向。
[0003] 硫的電絕緣性導(dǎo)致硫正極活性物質(zhì)的利用率低，而且二次鋁硫電池充放電反應(yīng)所 產(chǎn)生的小分子硫基化合物中間產(chǎn)物易溶解于電解液，從而造成活性物質(zhì)的不可逆損失和容 量衰減，致使電池的自放電率高，循環(huán)壽命短，影響了其大規(guī)模應(yīng)用。
[0004] 為了克服單質(zhì)硫存在的缺陷，目前通常是將單質(zhì)硫負(fù)載到具有高比表面積、高孔 隙率及良好導(dǎo)電性能的碳素類材料中，形成復(fù)合正極材料，以限制循環(huán)過程中硫基化合物 溶入電解液和由此引起的各種負(fù)面作用。石墨烯和多孔炭是目前研究較為廣泛的材料。 石墨烯僅有一個碳原子厚度，理想的單層石墨烯比表面積高達(dá)2630m2/g，電子遷移率超過 20000cm2/Vs，并且具有極高的機(jī)械強(qiáng)度，可有效改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。多孔炭的引入， 能很好的改善多硫化物的溶解和提高硫的導(dǎo)電性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (-）發(fā)明目的
[0006] 本實(shí)用新型的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有電極存在的硫負(fù)載量偏低，比容量偏小，能量密 度低，容量衰減快等問題，提供一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，所述復(fù)合正極由具有微納 結(jié)構(gòu)的多孔碳包覆于石墨烯陣列和單質(zhì)硫復(fù)合材料表面所形成，具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 載硫量大，正極活性物質(zhì)硫利用率高，電池循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] (二）技術(shù)方案
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供了如下技術(shù)方案：
[0009] 一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由石墨烯陣列、多孔炭和單質(zhì)硫組成，其特征在 于，具有三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其中，石墨烯陣列垂直生長于導(dǎo)電基底表面，單質(zhì)硫負(fù)載于石 墨烯陣列表面及空隙間，微納結(jié)構(gòu)的多孔炭均勻包覆在最外層。
[0010] 方案所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述復(fù)合正極省卻了導(dǎo)電 齊IJ、粘結(jié)劑和集流體。
[0011] 方案所述的二次鋁電池用多孔碳包覆取向碳納米管/硫復(fù)合正極，其特征在于， 所述導(dǎo)電基底材料包括但不限于碳纖維、石墨、玻態(tài)碳、鈦、鎳、不銹鋼、鐵、銅、鋅、鉛、錳、 鎘、金、銀、鉬、鉭、鎢、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠或高摻雜硅等金屬或非金屬。
[0012] 方案所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述多孔碳層厚度為 5-20nm;所述多孔碳為微孔碳結(jié)構(gòu)，孔徑彡2nm，且孔結(jié)構(gòu)之間相互貫通。
[0013]方案所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極的具體制備如下：先通過等離子體增強(qiáng)化 學(xué)氣相沉積在導(dǎo)電基底4表面垂直生長石墨烯陣列3,再采用熱處理的方式在石墨烯陣列 表面及空隙間負(fù)載單質(zhì)硫2,然后于石墨烯陣列和單質(zhì)硫表面包覆多孔炭層1，最后將所得 復(fù)合材料烘干裁成適合尺寸的正極片即可。
[0014](三）有益效果
[0015]本實(shí)用新型提供了二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，具有以下優(yōu)點(diǎn)：石墨烯陣列所形 成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有比表面積巨大、吸附力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、電子轉(zhuǎn)移和電荷傳遞快等優(yōu) 點(diǎn)，活性物質(zhì)硫以納米尺寸均勻地分布在石墨烯陣列的表面和空隙中，大大提高了硫的負(fù) 載量和硫的接觸面積，同時還提供了有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和通暢的離子通道；多孔炭的包覆，使 得分布在石墨烯陣列空隙中的游離硫由于包覆了導(dǎo)電層從而能在充放電過程中進(jìn)行電子 轉(zhuǎn)移，同時也進(jìn)一步抑制了多硫化物的溶解，其與石墨烯陣列的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對正極活 性材料硫的固定、抑制，減緩了硫的流失，能有效提高電池的循環(huán)性能；另外，由于電極中省 卻了粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和集流體，使得制備工序簡單、成本低廉，同時也提高了電池的能量密 度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本實(shí)用新型所述的復(fù)合正極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]其中，1-多孔炭，2-硫，3-石墨稀陣列，4一導(dǎo)電基底。

【具體實(shí)施方式】
[0018]以下將結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn) 一步說明，以充分地了解本實(shí)用新型的目的、特征和效果。下面的實(shí)施例描述了本實(shí)用新型 的幾種實(shí)施方式，它們僅是說明性的，而非限制性的。
[0019] 如圖1所示，本【具體實(shí)施方式】所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由生長于導(dǎo)電 基底4上的石墨烯陣列3、單質(zhì)硫2、多孔炭層1組成。其中，垂直生長在導(dǎo)電基底4上的 石墨烯陣列3構(gòu)成了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)骨架，單質(zhì)硫以納米尺寸負(fù)載于石墨烯陣列表面及空隙 間，在石墨烯陣列3表面和單質(zhì)硫2表面包覆有厚度為5-20nm的多孔炭層1。
[0020] 本實(shí)用新型提供的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其中單質(zhì)硫、石墨烯陣列和多孔 炭所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為60-80%、10-15%和10-30%，既保證了硫的負(fù)載量，同時也達(dá)到抑 制多硫化物溶解的效果，電池的能量密度高，循環(huán)性能得到很大提升。
[0021] 實(shí)施例1
[0022] -種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由生長于導(dǎo)電基底4上的石墨烯陣列3、單質(zhì)硫 2、多孔炭層1組成。其中，單質(zhì)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，石墨烯陣列質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，多孔炭質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為25%。將所述正極與隔膜、電解液、鋁負(fù)極、外殼一起組裝成二次鋁電池。
[0023] 實(shí)施例2
[0024]-種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由生長于導(dǎo)電基底4上的石墨烯陣列3、單質(zhì)硫 2、多孔炭層1組成。其中，單質(zhì)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，石墨烯陣列質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，多孔炭質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為10%。將所述正極與隔膜、電解液、鋁負(fù)極、外殼一起組裝成二次鋁電池。
[0025] 實(shí)施例3
[0026] -種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由生長于導(dǎo)電基底4上的石墨烯陣列3、單質(zhì)硫 2、多孔炭層1組成。其中，單質(zhì)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，石墨烯陣列質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，多孔炭質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為20%。將所述正極與隔膜、電解液、鋁負(fù)極、外殼一起組裝成二次鋁電池。
[0027] 實(shí)施例4
[0028] -種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由生長于導(dǎo)電基底4上的石墨烯陣列3、單質(zhì)硫 2、多孔炭層1組成。其中，單質(zhì)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，石墨烯陣列質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，多孔炭質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為30%。將所述正極與隔膜、電解液、鋁負(fù)極、外殼一起組裝成二次鋁電池。
[0029] 實(shí)施例5
[0030] 對實(shí)施例1-4中所制備的二次鋁電池進(jìn)行充放電循環(huán)測試，以1C進(jìn)行充電至 2. 5V，0. 1C放電，放電截止電壓為1. 2V。測試結(jié)果如下表。
[0031] 表1二次鋁電池

【權(quán)利要求】
1. 一種二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，由石墨烯陣列、多孔炭和單質(zhì)硫組成，其特征在 于，具有三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，其中，石墨烯陣列垂直生長于導(dǎo)電基底表面，單質(zhì)硫以納米尺 寸負(fù)載于石墨烯陣列表面及空隙間，微納結(jié)構(gòu)的多孔炭均勻包覆在最外層。
2. 如權(quán)利要求1所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述復(fù)合正極省卻 了導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體。
3. 如權(quán)利要求1所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述導(dǎo)電基底材料 包括但不限于碳纖維、石墨、玻態(tài)碳、鈦、鎳、不銹鋼、鐵、銅、鋅、鉛、錳、鎘、金、銀、鉬、鉭、鎢、 導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠或高摻雜硅等金屬或非金屬。
4. 如權(quán)利要求1所述的二次鋁電池用碳硫復(fù)合正極，其特征在于，所述多孔碳層厚度 為5-20nm ;所述多孔碳為微孔碳結(jié)構(gòu)，孔徑< 2nm，且孔結(jié)構(gòu)之間相互貫通。
【文檔編號】H01M4/13GK204156001SQ201420655367
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】趙宇光, 鐘毓娟 申請人:南京中儲新能源有限公司