[发明专利]石墨烯阵列复合正极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料科学领域，涉及一种石墨烯阵列的碳硫复合正极及其制备，还涉及包括该复合正极的二次铝电池。

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，迫切需要开发具有能量高、成本低、寿命长、绿色环保、电池材料资源丰富以及可循环利用的动力电池和储能电池。二次铝硫电池是具有高能量密度的一种新型电池体系，具有很高的应用潜力和商业价值。

二次铝硫电池的工作原理是硫与铝之间的可逆氧化还原反应。目前，铝硫电池的技术瓶颈在于硫基正极材料存在着活性材料损失、导电性差、还原过程产生的中间体多聚硫化物易溶于电解液、部分溶解的多聚硫化物扩散到达金属铝负极表面产生自放电反应及沉积在负极上使其钝化等问题。因此，如何改善材料的导电性，并解决充放电中间产物的溶解问题，提高电池的循环性能，是硫基正极材料的研究重点。

目前的解决思路是将单质硫与导电载体复合。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。同时，受碳基材料多孔结构和表面化学的限制，硫与碳基质表面的相互作用非常弱，造成硫在碳基质中分布不均匀，复合材料仍存在稳定性差、含硫量低以及实际应用中加工性能有限等缺点，仅靠碳材料孔隙的限域作用和表面吸附作用难以彻底抑制多聚硫化物的溶解流失，循环性能还不能达到实用的程度。

发明内容

（一）    发明目的

本发明的目的在于改进上述技术存在的问题和不足，提供一种基于石墨烯阵列的碳硫复合正极，所述复合正极具有三维网络导电骨架，其间均匀负载有纳米尺寸的活性物质硫，外层包覆有二氧化钛，其导电性和稳定性大幅提高，由此制备的二次铝电池具有较高的比容量和良好的循环性能。

石墨烯阵列呈有序片状结构和开放孔结构，所形成的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。在含硫材料的表面包覆一层具有离子选择性的过渡金属硫化物或氧化物，可防止电极材料与电解液的直接接触，抑制相转变，改善复合材料结构稳定性，进一步减小多硫化物及其还原产物在电解液中的溶解，同时还能对硫在充放电过程中的体积变化起到一定的缓冲作用，有效提高电极的结构稳定性，进而提高电池的循环性能。

本发明的目的还在于提供一种制备基于石墨烯阵列的碳硫复合正极的方法。

本发明的目的还在于提供一种包括所述复合正极的二次铝电池。

（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：

一种基于石墨烯阵列的碳硫复合正极，包括：

(a)   石墨烯阵列，其特征在于，所述石墨烯垂直生长于导电基底材料上；

(b)   二氧化钛；和

(c)   硫。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合正极，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，且导电基底材料优选为钛。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合正极，其特征在于，所述硫通过热处理的方式以纳米尺寸均匀负载于导电骨架表面及孔隙中。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合正极，其特征在于，所述二氧化钛包覆于石墨烯和硫外层。

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合正极，其特征在于，包含10~15 wt%石墨烯，15~25 wt%二氧化钛和60~70 wt%硫。 

方案所述的基于石墨烯阵列的碳硫复合正极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，石墨烯阵列的制备：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；