一种炭气凝胶硫基复合正极及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种炭气凝胶硫基复合正极。该复合正极是炭气凝胶和碳纳米纤维复合形成三维导电网络结构后，加硫经热熔扩散的方式制备而得。三维导电网络结构具有更大的比表面积和限域作用，可以吸附硫活性物质并抑制放电过程中产生的多聚硫化物的溶解；同时还能更好地传输电子，使正极材料具有优良的循环性能和导电性。该复合正极的制备无需添加导电剂和粘结剂，制备工序简单，成本低廉，能量密度高。应用此复合正极制备而得的二次铝电池性能优良、环保安全。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种炭气凝胶硫基复合正极。该复合正极是炭气凝胶和碳纳米纤维复合形成三维导电网络结构后，加硫经热熔扩散的方式制备而得。三维导电网络结构具有更大的比表面积和限域作用，可以吸附硫活性物质并抑制放电过程中产生的多聚硫化物的溶解；同时还能更好地传输电子，使正极材料具有优良的循环性能和导电性。该复合正极的制备无需添加导电剂和粘结剂，制备工序简单，成本低廉，能量密度高。应用此复合正极制备而得的二次铝电池性能优良、环保安全。【专利说明】-种炭气凝胶硫基复合正极及其制备和应用
本专利技术属于电化学和新能源产品领域，涉及一种炭气凝胶硫基复合正极及制备方 法。本专利技术还涉及一种采用此复合正极制备的二次铝电池。
技术介绍
以金属铝为负极，硫或硫基化合物为正极的二次铝硫电池体系，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，是一种新兴的电池体系。铝的理论能量密度 高达2980mAh/g，仅次于锂（3682mAh/g)，且储量丰富，化学性质相对稳定，是理想的负极材 料；硫具有1675mAh/g的理论能量密度，是已知能量密度最高的正极材料。但是，单质硫具 有电绝缘性，导电性能差；同时，其在放电过程中产生的还原产物会溶解于电解液中，造成 硫活性物质的流失，导致活性物质利用率低，电极钝化，电池循环性能差。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特征 的碳基材料中，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。 碳纳米纤维是一种近年来广受关注的碳基材料之一，具有高强度、低密度、长径比 大等特点，而且这种材料耐腐蚀、耐高温，导电性及吸附性很强。碳纳米纤维和硫复合，一方 面，利用碳纳米纤维的吸附性能可以负载硫活性物质；另一方面，碳纳米纤维的加入可以提 高材料的导电性能，由于碳纳米纤维耐腐蚀、耐高温的特性使其能在更广的范围内应用。但 是，碳纳米纤维的比表面积有限，仅通过碳纳米纤维吸附作用负载硫，硫含量难以在很大程 度上得到提高，而且充放电时碳纳米纤维的表面会有大量的多聚硫化物溶解于电解液中， 造成硫活性物质的流失。
技术实现思路
(-）专利技术目的 针对以上问题和缺陷，本专利技术的目的在于提供一种硫/炭气凝胶-碳纳米纤维复合正 极。所述复合正极是由炭气凝胶-碳纳米纤维后，加硫通过热熔扩散的方式制备而得。炭气 凝胶是一种三维立体结构的碳基材料，具有发达的孔隙结构、大的比表面积及优良的导电 性，成为制备电极的理想材料之一。炭气凝胶巨大的比表面积可以负载更多的硫活性物质， 其与碳纳米纤维复合形成的纳米尺度的三维结构网络，使硫活性物质以纳米形态与碳基材 料紧密结合，提高硫的反应活性；同时，所形成的立体结构的导电网络利于离子、电子的传 输，使材料的导电性能得到提高。 此外，由于所述复合电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。 本专利技术的目的还在于提供一种硫/炭气凝胶-碳纳米纤维复合正极的制备方法。 本专利技术的目的还在于提供一种应用硫/炭气凝胶-碳纳米纤维复合正极制备的二 次铝电池。 (二）技术方案 为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了如下方案： 一种炭气凝胶硫基复合正极，包括： (a) 炭气凝胶； (b) 碳纳米纤维； (c) 硫。 方案所述的炭气凝胶硫基复合正极，其特征在于，复合正极是由炭气凝胶-碳纳 米纤维后，加硫经热熔扩散的方式复合而得。 方案所述的炭气凝胶硫基复合正极，其特征在于，炭气凝胶是通过溶胶-凝胶法 制得的一种三维立体结构的导电碳基材料。 方案所述的炭气凝胶硫基复合正极，其特征在于，碳纳米纤维的直径范围为 30(T800nm，是一种化学性能稳定，比表面积大的多孔活性碳材料。 一种方案所述的炭气凝胶硫基复合正极的制备方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤1，碳纳米纤维的制备：通过静电纺丝法制备醋酸纤维素纺丝纤维，把制得的醋酸 纤维素纳米纤维放于碱液中24h后，得到纤维素纳米纤维，取出干燥备用；将纤维素纳米纤 维置于质量分数为1%飞％的ZnCl 2水溶液中，放于60?100°C的水浴中振荡6~12h左右，取出 放于55~85°C可程序升温的鼓风干燥箱中干燥18?36h，同时在纤维膜下端施加拉力使其获 得拉伸；将干燥后的纤维膜置于碳化炉中，在350?550°C左右高温加热20?50min得到碳纳 米纤维；用0· lmol/n). 5mol/L的盐酸清洗碳纳米纤维:Γ8次，除去氧化锌，最后用去离子 水清洗至水溶液呈中性； 步骤2,炭气凝胶-碳纳米纤维复合材料的制备：将间苯二酚与甲醛以1:2的摩尔比 混合，加去离子水作为溶剂，调节间苯二酚和甲醛的质量百分数为10%?50%，加适量的催化 剂碳酸钠，调节溶液的pH值为4~8,加入碳纳米纤维，超声使碳纳米纤维在溶液中充分分 散，其中碳纳米纤维的添加量是间苯二酚的2?12倍；将混合物移至密闭容器内，放入恒温 箱（55~85°C )中，使混合物中的物质发生溶胶-凝胶聚合，反应8~24h ;聚合反应结束后将得 到的复合材料置于丙酮中浸泡2?5天，取出常温常压下干燥3飞天，最后把复合材料置于惰 性气体中升温至 8〇〇?1〇〇〇°(：炭化，即得炭气凝胶-碳纳米纤维复合材料； 步骤3,硫/炭气凝胶-碳纳米纤维复合正极的制备：将制备好的炭气凝胶-碳纳米 纤维复合材料和单质硫按质量比1:5~1:15放入含有氮气的密闭聚四氟乙烯的反应釜中， 置于烘箱中加热到12(Γ 3〇Ο?使硫充分熔化并扩散到炭气凝胶-碳纳米纤维复合材料孔隙 中，冷却至室温得到硫/炭气凝|父-碳纳米纤维复合正极。 方案还提供了一种二次铝电池，包括： (a) 正极，其特征在于，所述正极为上述炭气凝胶硫基复合正极； (b) 非水含铝电解液； (c) 含铝负极。 方案所述的二次铝电池还可包括位于正极和负极之间的隔膜。合适的固体多孔隔 膜材料包括但不限于：聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯、玻璃纤维滤纸和陶瓷材料。 方案所述的含铝负极活性材料，包括但不限于：铝金属，例如铝箔和沉积在基材上 的错；银合金，包括含有选自 Li、Na、K、Ca、Fe、Co、Ni、Cu、Ζη、Μη、Sn、Pb、Ma、Ga、In、Cr、Ge 中的至少一种元素与A1的合金。 a 方案所述的非水含铝电解液为有机盐-卤化铝体系离子液体，其中，有机盐与卤 化铝的摩尔比为ι:ι·广3.〇。 方案所述的有机盐-卤化铝体系中，其特征在于，有机盐-卤化铝体系中有机 盐的阳离子包括咪唑鎗离子，吡啶鑰离子，吡咯鑰离子，哌啶鎗离子，吗啉鐺离子，季铵盐 离子，季鱗盐离子和叔銃盐离子；有机盐的阴离子包括 cr，Β?"，1' PIV，BFp CK，SCN-， 、[_) 2Γ 等离子。 方案所述的有机盐-卤化铝体系，其特征在于，所述卤化铝为氯化铝、溴化铝或碘 化铝中的一种。 方案所述二次铝电池的制备方法如下：方案所述二次铝电池的制备方法如下：将 上述制备的复合正极千燥后裁成40刪宽X 15mm长0.33mm厚的极片，和〇· 16隨厚的玻璃 纤维非织隔膜以及用铝片作为负极活性材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种炭气凝胶硫基复合正极，其特征在于，所述复合正极包括：(a)炭气凝胶；(b)碳纳米纤维；(c)硫。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇光，汪清，
申请(专利权)人：南京中储新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32