高能量柔性电极材料及其制备方法和在二次电池中的应用

摘要

本发明属于电化学电池领域，具体为一种高能量柔性复合电极材料及其制备方法和在高能量柔性锂硫二次电池中的应用。柔性电极材料是单质硫均匀吸附并嵌入在碳纳米管壁的微孔中，形成微孔限域、多孔通道互联、三维导电网络的碳纳米管/硫复合材料；活性物质单质硫的含量范围为10-71wt％。采用含硫酸根离子的酸性电解液阳极氧化金属基体制备多孔模板，并在模板中吸附大量硫酸根离子；利用化学气相沉积过程制备碳纳米管，同时利用高温原位炭热还原硫酸根离子形成单质硫嵌入于碳纳米管管壁中，去除多孔模板后，通过溶剂超声分散和液相蒸发自组装过程获得碳纳米管/硫柔性复合材料。柔性电极材料可用于锂硫电池正极材料，并应用于柔性储能器件。

主权项

一种高能量柔性电极材料，其特征在于：柔性电极材料为单质硫均匀吸附并嵌入在碳纳米管壁的微孔中，形成微孔限域的多孔通道互联、三维导电网络的碳纳米管/硫复合物；柔性电极材料中，活性物质单质硫的含量范围为10‑71 wt%；所述高能量柔性电极材料的制备方法，采用含硫酸根离子的酸性电解液阳极氧化金属基体制备多孔模板，并在模板中吸附大量硫酸根离子；利用化学气相沉积过程制备碳纳米管，同时利用高温原位炭热还原硫酸根离子形成单质硫嵌入于碳纳米管管壁中，去除多孔模板后得到碳纳米管/硫复合材料，通过溶剂超声分散和液相蒸发自组装过程获得碳纳米管/硫柔性复合材料；包括如下步骤：（1）硫酸根离子吸附多孔模板制备：金属基体置于含硫酸根离子酸性电解液中进行阳极氧化制备多孔模板，获得一端开口且吸附大量硫酸根离子的多孔模板；（2）碳纳米管/硫复合材料制备：将步骤（1）所得富含硫酸根离子的多孔模板放置于化学气相沉积反应炉中间，通入碳源进行化学气相沉碳；在此过程中，硫酸根离子会发生原位炭热反应，在碳纳米管的管壁中形成单质硫；将所得样品浸渍于酸性或碱性溶液中1‑24h去除多孔模板，获得碳纳米管/硫复合材料；碳源为碳氢化合物甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、甲苯、环己烷以及乙醇、甲醇、丙酮、一氧化碳之一种或两种以上，载气为氮气或者氩气或两者的混合气，沉积温度为600‑800℃，沉碳时间为1‑12h；硫酸根离子原位碳热反应还原为单质硫并吸附嵌入在碳纳米管壁微孔中，高温退火增加碳层有序度的温度为800‑900℃，时间10min‑10h；除去模板的酸性或碱性溶液为：氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸、氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液，溶液浓度为10‑60wt%；（3）自组装薄膜制备：将步骤（2）所得碳纳米管/硫复合材料，通过溶剂超声分散后，形成碳纳米管分散液，采用50‑70℃低温液相加热蒸发自组装获得碳纳米管/硫三维柔性复合薄膜材料；用于超声分散碳纳米管的溶剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇、丙酮、环己烷或N‑甲基吡咯烷酮；采用液相加热蒸发自组装的过程中，碳纳米管分散液的浓度为0.1‑1mg/ml。