[发明专利]一种基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极、制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料科学领域，具体涉及一种基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极和制备方法及一种应用此复合电极的二次铝电池。

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。二次铝硫电池是符合这些需求的理想电池体系之一。

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。其中，碳纳米管具有导电性好、长径比大等优点，它们之间可以桥搭成天然的导电网络，有利于电子传导和离子扩散。但传统的碳纳米管为无序团聚状，主要通过碳纳米管表面的吸附负载硫，复合材料中的硫含量低、分布不均匀。充放电时，大量硫会从碳纳米管的表面直接溶入电解液，造成活性物质的损失，电池能量密度很难提高。此外，电极中非活性物质导电剂，粘结剂的加入，也使电极的能量密度被大幅削减。

发明内容

（一）  发明目的

本发明的目的在于改进现有碳纳米管硫复合材料存在的问题和不足，提出一种以有序排列的碳纳米管阵列替代无序堆积生长的碳纳米管，并与导电基底材料表面垂直相接形成导电骨架，再以热熔渗透的方式将活性物质硫与碳纳米管阵列复合形成电极的设计思路。

通常，无序堆积生长的碳纳米管呈现一定团聚结构，缠绕严重、呈无序排列状态，使后续负载的硫分散不均匀，能够进入碳管内的硫很少，未能充分发挥碳纳米管管状材料优势。导电网络在碳纳米管搭接处因硫的附着造成接触电阻大幅提高，电导率下降。与缠绕状的碳纳米管相比，碳纳米管阵列排列有序，长径比高、取向性好、纯度高。其有序孔结构和管间空隙构成的网络通道为纳米尺度，可使熔融渗入阵列中的硫以纳米颗粒的形态均匀分散，与导电骨架紧密复合，有效地提高硫的反应活性。对填充在纳米管内和管间空隙的硫，这些纳米尺度的有序孔和网络通道及纳米管的长径可产生比普通碳基材料更“长程”的束缚，可进一步抑制电池充放电过程中硫的溶出。此外，定向排列的碳纳米管与导电基底垂直连接，不但可避免大量接触电阻的产生，形成高效的导电骨架网络，而且由于无外加导电剂和粘结剂，可进一步提升电极的能量密度。

本发明的目的在于提供一种基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极，该复合电极可提高二次铝电池正极活性物质硫的利用率和电池循环性能。

本发明的另一个目的在于提供一种基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极的制备方法，该制备方法操作简单、成本低，适于工业化生产。

本发明的目的还在于提供一种以所述的碳硫复合电极为正极的二次铝电池。

（二）  技术方案

为实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案。

一种基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极，包括：

(a)导电基底材料；

(b)碳基材料，其特征在于，所述碳基材料为有序排列的碳纳米管阵列，与导电基底材料表面垂直接触；和

(c)含硫活性物质。

方案所述的基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述碳纳米管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。

所述碳纳米管阵列中，碳纳米管的管径为1~50nm，管长1~2000nm，管间距2~100nm。

所述基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述含硫活性物质为单质硫或含有S-S键的有机化合物。

所述基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极，其特征在于，所述含硫活性物质通过热处理渗入碳纳米管阵列。

所述基于碳纳米管阵列的碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：