[发明专利]一种碳纳米管阵列-聚吡咯-硫复合材料

说明书

技术领域

本发明属于电池材料科学领域，涉及一种碳纳米管阵列-聚吡咯-硫复合材料及其制备方法。本发明还涉及一种采用该复合材料为正极的二次铝电池。

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。

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，广泛用于二次电池电极材料。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。但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，这些材料仍然存在稳定性差、含硫量低以及实际应用中加工性能有限等缺点。因此，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。

聚吡咯具有较高的电导率，高储能能力 、好的稳定性、高电化学氧化还原特性，离子可以在膜内自由传输，是一种非常理想的电极材料。但相对炭基电极循环寿命不稳定，在充放电过程中会发生体积的膨胀和收缩，易从电极上脱落。

发明内容

（一） 发明目的

针对上述问题和不足，本发明提供了一种碳纳米管阵列-聚吡咯-硫复合材料，所述复合材料以垂直生长在导电基底表面的碳纳米管阵列为导电骨架，以此为载体复合硫和聚吡咯活性物质。

碳纳米管阵列具有巨大的比表面积可提供更多的负载位，能大大提高硫的负载量；而且由于其有序孔结构和管间空隙构成的三维导电网络通道为纳米尺度，可使含硫活性物质以纳米形态均匀分散，同导电骨架紧密复合，有效地提高硫的反应活性，同时，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”的限域作用和吸附作用，可抑制含硫还原产物的在电解液中溶解，从而减缓硫的流失。

聚吡咯的形貌为表面粗糙的类球状，先在导电骨架表面包覆一层聚吡咯层，可以有效提高复合材料的比表面积，为硫提供更多的负载空间，有利于实现负载硫含量的提高，同时也有利于抑制穿梭效，提高电极材料的电化学性能。也可先在导电骨架中复合硫，再在其表面包覆一层聚吡咯，既能进一步减缓硫的流失，又能有效促进了电子的传输，提升活性材料的利用率。

此外，以所述复合材料作为正极，无需添加导电剂和粘结剂，能显著提高电极的比容量，电极的能量密度也较高。

本发明的目的在于提供一种碳纳米管阵列-聚吡咯-硫复合材料及其制备方法。

本发明的目的还在于提供一种以碳纳米管阵列-聚吡咯-硫复合材料为正极的二次铝电池。

（二）  技术方案

为实现上述发明，提供了如下技术方案。

一种碳硫复合材料，包括：

1)    垂直生长于导电基底表面的碳纳米管阵列；

2)    活性物质，其特征在于，所述活性物质包含聚吡咯和硫。

所述的碳硫复合材料，其特征在于，所述碳纳米管的管径为1~50nm，管长1~2000nm，管间距2~100nm。

所述的碳硫复合材料，其特征在于，所述碳纳米管阵列的导电基底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。

所述的碳硫复合材料，其特征在于，所述活性物质为纳米尺寸，均匀分布在导电骨架表面和空隙中。

所述的碳硫复合材料，其特征在于，所述碳硫复合材料中硫、聚吡咯、碳纳米管阵列的质量百分比分别为60~80% 、15~30% 、5~10%。