納米纖維陣列複合正極的製作方法
2023-05-09 06:48:26 1
納米纖維陣列複合正極的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種納米纖維陣列複合正極，該複合正極-由金屬氧化物、碳納米纖維陣列、硫及導電基底組成，無需添加導電劑和粘結劑，所述複合正極能量密度高、循環性能高且倍率性優。
【專利說明】納米纖維陣列複合正極
【技術領域】
[0001] 本實用新型為電池和新能源領域，涉及一種循環性能優良的硫基複合正極片的制 備。
【背景技術】
[0002] 可再生能源併網、電動汽車和智能電網等新能源技術的飛速發展迫切需要開發更 高能量密度的儲能體系。鋁的體積比容量為8050mAh/cm3,是鋰的4倍，且化學活潑性穩定， 是理想的負極材料；而硫的理論體積比容量為3467mAh/cm3,是已知能量密度最高的正極材 料之一。二者組成的鋁硫電池是滿足需要的新興電池體系。然而，單質硫具有絕緣性，放電 過程中產生的多硫化物易溶解於電解液中，導致活性物質的利用率低及電極鈍化等問題， 因此，人們常用的解決辦法是把含硫活性物質和導電性能優良的碳基材料複合。
[0003] 碳納米纖維是一種導電性能優良的材料，其比表面積大，力學性能好且長徑比大。 相互交錯的碳納米纖維可以形成具有"限域"作用的導電網絡，有利於電子的傳遞並抑制 硫還原產物的溶解。然而，傳統的碳納米纖維多為無序狀，易團聚堆積，造成其有效比表面 積減小，嚴重影響材料對硫的負載量，而且硫在碳材料中的分布不均勻，硫活性物質利用率 低；充放電時，碳納米纖維表面會有大量硫活性物質變成多聚硫化物溶解於電解液中。
【發明內容】
[0004] (一）實用新型目的
[0005] 本實用新型的目的在於改進現有的正極片循環性能和導電性差的缺陷，提供一種 由碳納米纖維陣列、硫及金屬氧化物組成的正極片。該正極片循環性能好，導電性良且能量 密度高。
[0006] (二）技術方案
[0007] 為了實現上述目的，本實用新型提供以下技術方案：
[0008] -種納米纖維陣列複合正極，由金屬氧化物、碳納米纖維陣列、單質硫和導電基底 組成，其特徵在於，所述碳納米纖維陣列垂直生長於導電基底上，單質硫附著於碳納米纖 維-壁上，最外層包覆金屬氧化物層，所述複合正極為立體層狀結構。
[0009] 方案所述的納米纖維陣列複合正極，其特徵在於，所述碳納米纖維陣列的直徑為 50?400nm，長度為2?50iim。
[0010] 方案所述的納米纖維陣列複合正極，其特徵在於，所述金屬氧化物包括Ti02、Mg0、 A1203、ZnO、Sn02、ZrO、Ce02、La203、V205 和Mn02 中的任意一種。
[0011] 方案所述的納米纖維陣列複合正極，其特徵在於，所述複合正極片無需添加導電 劑和粘結劑。
[0012] (三）有益效果
[0013] 本實用新型提供的複合正極片與現有技術相比，具有以下優點：碳納米纖維陣列 具有定向排列的管道，這些納米尺度的管道和材料本身的孔結構可以負載大量的硫活性物 質，同時可以減少硫還原產物的流失；金屬氧化物的包覆能夠進一步起到"限域"作用，抑制 穿梭效應的發生及電極的腐蝕。
[0014](四）【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為複合正極片結構切面示意圖。
[0016] 其中，1-導電基底，2-硫，3-碳纖維陣列，4一金屬氧化物。
[0017](五）【具體實施方式】
[0018] 以下將結合附圖和實施例對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果作進 一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特徵和效果。下面的實施例描述了本實用新型 的幾種實施方式，它們僅是說明性的，而非限制性的。
[0019] 參見附圖1，本實用新型中提供了一種導電性優良、循環性能好的複合正極包導電 基底1，硫2,碳纖維陣列3,金屬氧化物4 ;其中，碳纖維陣列3垂直生長於導電基底1上，夕卜 加金屬氧化物4形成層狀結構，硫2附著於碳納米纖維陣列3的孔結構內和金屬氧化物4 的外壁上。
[0020] 實施例1:
[0021] 1)碳納米纖維陣列的製備：配製成濃度為O.lmol/L的酒石酸鉀鈉溶液和硫酸 銅溶液各50mL，將配好的硫酸銅溶液緩慢的滴加到酒石酸鉀鈉溶液中，滴加的過程中不停 的攪拌，得酒石酸銅催化劑；採用化學氣相沉積法，酒石酸銅為催化劑在室溫下以15〇SCcm 的流量通入氬氣20min，排出石英管中的空氣；保持氬氣的流量不變，以50°C/min的速率 升到400°C，10min後氦氣由氫氣（70sccm)和乙炔（30sccm)所代替。受熱升華的催化劑由 氫氣和乙炔混合氣體帶入進行反應，在導電基底表面製備定向生長的碳納米纖維陣列。
[0022] )碳硫複合：將製備好的碳納米纖維陣列和單質硫按質量比1:5放入含有氮氣的 密閉聚四氟乙烯的反應釜中，置於烘箱中加熱到300°C使硫充分熔化並擴散，冷卻至室溫得 到碳硫複合材料。
[0023])正極的製備：將上述碳硫材料加入10mL冰醋酸、20mL水和40mL無水乙醇的混合 溶液中，攪拌混勻得混合物A;在超聲攪拌下，將20mL鈦酸丁酯與40mL無水乙醇混合液滴 加到上述混合物A中，靜置一段時間，80°C乾燥，300°C煅燒得二氧化鈦包覆的碳硫複合正 極。
[0024] 實施例2:
[0025] 1)碳納米纖維陣列的製備：將1.6g的保護劑聚乙烯吡咯烷酮溶於去離子水中 配製成40mL的溶液，再用可溶性銅鹽硫酸銅0.037g配製10mL溶液，混合攪拌後滴加 10mL還原劑80%水合肼，且保持反應溶液總體積為50mL，加熱並攪拌至80°C保溫，至溶 液顏色變為紫紅色，得銅溶膠；採用化學氣相沉積法，銅溶膠為催化劑在室溫下以15〇SCcm 的流量通入氬氣20min，以排出石英管中的空氣；保持氬氣的流量不變，以50°C/min的速 度升到400°C，10min後氬氣由氫氣（7〇SCCm)和乙炔（3〇SCCm)所代替；受熱升華的催化劑 由氫氣和乙炔混合氣體帶入進行催化裂解反應，反應30min，在導電基底表面製備定向生長 的碳納米纖維陣列。
[0026] )碳硫複合：配製0. 5g/mLNa2S203溶液，然後逐滴加入5mL質量分數10%的稀HC1， 邊滴加邊攪拌，得到硫溶膠；向硫溶膠中加入1/5質量的碳納米纖維陣列，攪拌均勻，浸漬 30min，乾燥得碳硫複合材料。
[0027] )金屬氧化物的包覆同實施例1。
[0028] 實施例3:
[0029] 1)碳硫複合材料的製備同實施例2。
[0030] )正極的製備：配製濃度為0.lmol/L的硝酸錫溶液，向其中加入碳硫複合材料並 攪拌混合均勻形成混合物，隨後將所得混合物置入噴霧乾燥機內乾燥，再將所得粉體加熱 2~5h得氧化錫包覆的複合正極片。
[0031] 實施例4:
[0032] 將上述實施例1、2、3的複合正極和鋁片、隔膜相互卷繞加入電解液，製備成二次 鋁電池1#、2#、3#進行充放電測試，結果如下表所示：
【權利要求】
1. 一種納米纖維陣列複合正極，由金屬氧化物、碳納米纖維陣列、單質硫和導電基底 組成，其特徵在於，所述碳納米纖維陣列垂直生長於導電基底上，單質硫附著於碳納米纖 維-壁上，最外層包覆金屬氧化物層，所述複合正極為立體層狀結構。
2. 根據權利要求1所述的納米纖維陣列複合正極，其特徵在於，所述碳納米纖維陣列 的直徑為5(T400nm，長度為2?50 ii m。
3. 根據權利要求1所述的納米纖維陣列複合正極，其特徵在於，所述金屬氧化物包括 Ti02、MgO、A1203、ZnO、Sn02、ZrO、Ce0 2、La203、V205 和 Mn02 中的任意一種。
【文檔編號】H01M4/38GK204156011SQ201420666847
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】趙宇光, 汪清 申請人:南京中儲新能源有限公司