[实用新型]一种纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极及二次电池

说明书

技术领域

本实用新型属于电池材料科学领域，涉及一种二次铝电池复合正极，本发明还涉及一种应用该复合正极的二次铝电池。

背景技术

可再生能源并网、电动汽车和智能电网等新能源技术的飞速发展迫切需要开发更高能量密度的储能体系。二次铝硫电池作为新兴的电池体系，是以金属铝为负极，硫或硫基化合物为正极的电池体系，具有资源丰富、无污染、价格低廉、能量密度高、使用安全等特点。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，而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。然而，由于单质硫不导电的自然属性和放电中间产物在有机电解液中的溶解，容易导致活性物质的利用率低，电极钝化，电池的容量下降，循环性能差等问题，解决的途径之一是将含硫活性物质与具有限域作用、表面吸附作用和导电性高的碳基材料和导电聚合物材料复合。

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。

聚苯胺具有储存电荷的能力高、电化学性能良好、密度小、成本低等优点，并且具有可逆的氧化/还原特性，在复合物电极中既可作为导电基质又可作为活性物质，已被广泛用于电极材料。但在掺杂/脱掺杂过程中可能会发生膨胀和收缩，降低电池的循环寿命。

发明内容

（一）  发明目的

为解决上述问题及不足，本实用新型目的在于提供一种纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其中石墨烯竖直生长于导电基底上，呈三维网络结构，作为电极的导电骨架，其间复合有纳米结构的聚苯胺和含硫活性物质。

所述复合正极能够充分发挥石墨烯本身的优异特性，相比无序堆叠的石墨烯，垂直取向石墨烯的有序片状结构和开放孔结构，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。与聚苯胺复合时，聚苯胺在三维网络骨架中以纳米形态有序均匀分布，与碳基骨架紧密复合，进一步增强其导电性。在复合硫的过程中，聚苯胺能将硫紧密地粘结在导电骨架上，同时纳米尺寸的网络结构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。此外，聚苯胺还能作为活性物质的补充，进一步提升电极容量，进而提升电池整体的充放电效率和循环性能。由于电极制备过程中省去了粘结剂和导电剂的添加，可进一步提高电极的比容量。

本实用新型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

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其特征在于，包括：

(a)      垂直取向石墨烯；

(b)      导电基底；

(c)      纳米聚苯胺；和

(d)      含硫活性物质。

方案所述的纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其特征在于，石墨烯竖直生长在导电基底表面。

方案所述的纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其特征在于，所述导电基底包括但不限于碳纤维、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。

方案所述的纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其特征在于，所述聚苯胺是以纳米尺度包覆在垂直取向石墨烯表面。

方案所述的纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其特征在于，所述含硫活性物质包括单质硫或含有S-S键的有机化合物。

方案所述的纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其特征在于，所述含硫活性物质以纳米尺度分布于垂直取向石墨烯中。

方案所述的纳米聚苯胺包覆的碳硫复合正极，其特征在于，包含60~80%的硫，15~30%的聚苯胺和5~10%的垂直取向石墨烯，所述为质量百分比含量。

方案还提供一种纳米聚苯胺包覆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，制备垂直取向石墨烯：通过等离子体增强化学气相沉积在导电基底表面生长垂直取向石墨烯；