一种导电聚合物/碳硫复合电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种导电聚合物/碳硫复合电极及其制备方法。所述复合电极由石墨烯气凝胶、导电聚合物和硫组成。其制备方法在于，先制备石墨烯气凝胶，以此为三维导电骨架，然后在其间负载活性物质，即得。其中，所述活性物质为导电聚合物和单质硫。由此制备的复合电极制作简便、质量轻、形状尺寸可任意调节，具有比表面积巨大，导电性能优良，能量密度高等优点，可广泛应用于二次电池和电容器领域。

【技术实现步骤摘要】
—种导电聚合物/碳硫复合电极及制备方法
本专利技术属于电池材料科学领域，涉及一种电极及其制备方法，尤其涉及一种二次电池用复合电极。
技术介绍
随着可移动电子和通讯设备的迅速发展，二次电池的需求更为迫切，且越来越倾向于密集型、薄型、小型、轻型和高能量密度的电池的开发。硫电极在二次电池中的应用较为广泛，但是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，目前的解决思路是将单质硫与导电载体复合。 石墨烯气凝胶是一种新型碳素类材料，具有超轻的质量，超高的比表面积、电导率和导热性，且其具有纳米尺度的三维多孔网络结构，同硫复合可制备出比容量高、循环性能优异的正极材料。导电聚合物用于电极材料，既可充当电极活性物质而提高电极容量，同时也能抑制硫和多硫化物的流失，还能解决充放电过程中发生体积的膨胀和收缩问题。专利CN103996830A提出了一种石墨烯气凝胶、三大导电聚合物和硫的复合材料的制备方法，采用该复合材料电池的容量和循环性能均得到了改善。但是，上述制备方法是采用直接化学氧化法合成导电聚合物，所包覆的导电聚合物溶解度差、分子量不高，也无法控制其包覆均匀度和厚度，且共轭结构不完全，导电率不高；制备中采用溶液浸溃方式复合硫，硫和导电聚合物仅为物理结合，二者之间结合力较弱，对硫的束缚较弱；另外复合材料的结构中导电聚合物仅为包覆在外层这一种形式，不能完全体现聚合物-石墨烯-硫这种三体系复合材料的优势。
技术实现思路
(一)专利技术目的本专利技术的目的在于，提供一种导电聚合物/碳硫复合电极，所述复合电极以石墨烯气凝胶为三维网络导电骨架，其间复合纳米尺寸活性物质硫和导电聚合物，且所述电极材料从里到外依次为石墨烯气凝胶、导电聚合物、硫，或者为石墨烯气凝胶、硫、导电聚合物。所述复合电极采用电化学沉积法复合导电聚合物，相比较化学氧化法而言，所制备的导电聚合物在导电骨架中分布更为均匀、电活性高、氧化还原可逆性更优良，且其同导电骨架的结合更为牢固，能有效提高复合电极的稳定性和导电性。所述复合电极采用热处理的方式复合硫，硫和导电聚合物为化学键合，反应生成的硫-碳化学键的交联作用能限制多硫化物的溶解，抑制穿梭效应对电极的破坏，有效提高电池的循环性能。所述复合电极具有的其巨大的比表面积和三维导电网络，能大大提高硫的负载量，有效减小离子扩散阻力，提高电子传输速率，进而提高活性物质硫的电化学利用率，而且其纳米尺寸的孔隙结构具有强烈吸附作用，可有效抑制电池充放电过程中硫的溶出，进一步提高电池的循环性能。同时，导电聚合物的存在对硫在充放电过程中的体积变化能起到一定的缓冲作用。此外，所述复合电极无需添加粘结剂和导电剂，也不使用集流体，质量轻，形状尺寸可任意调节，能进一步提高电极的比容量，能量密度也较高。 本专利技术的目的还在于提供一种导电聚合物/碳硫复合电极的制备方法。 (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技术方案:一种导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，由石墨烯气凝胶、导电聚合物和硫组成。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，所述导电聚合物包括聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚丙烯腈以及其衍生物中的任一种。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，所述导电聚合物和单质硫均为纳米尺寸，均匀分布在石墨烯气凝胶的表面和空隙中。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，包含5?10wt%石墨烯气凝胶，15?30wt%导电聚合物，60?80wt%硫。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，导电聚合物的厚度为l(T200nm。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，石墨烯气凝胶先与硫复合再包覆导电聚合物；或，石墨烯气凝胶先与导电聚合物复合再同硫复合。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤: (O制备石墨烯气凝胶:首先制备氧化石墨烯水溶液，然后加热制备氧化石墨烯水凝胶，再将氧化石墨烯水凝胶放入氨水中浸泡，经冷冻干燥得到氧化石墨烯气凝胶；(2)复合硫:将制备好的石墨烯气凝胶与硫按质量比1:5?1:20放入管式炉中，在惰性气体保护下加热至10(T40(TC,形成硫/石墨烯气凝胶复合材料；或者将单质硫加热至熔融态，在惰性气体保护下将制备好的石墨烯气凝胶放入其中，保持5?10h后取出放入烘箱中干燥，形成硫/石墨烯气凝胶复合材料；(3)包覆导电聚合物:采用电化学沉积法在硫/石墨烯气凝胶复合材料均匀包覆一层导电聚合物，即得复合电极。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤: (O制备石墨烯气凝胶:首先制备氧化石墨烯水溶液，然后加热制备氧化石墨烯水凝胶，再将氧化石墨烯水凝胶放入氨水中浸泡，经冷冻干燥得到氧化石墨烯气凝胶；(2 )复合导电聚合物:采用电化学沉积法在石墨烯气凝胶表面包覆一层导电聚合物，制得导电聚合物/石墨烯气凝胶复合材料；(3)复合硫:将导电聚合物/石墨烯气凝胶复合材料与硫按质量比1:5?1:20放入管式炉中，在惰性气体保护下加热至10(T40(TC，形成复合电极；或者将单质硫加热至熔融态，在惰性气体保护下将制备好的导电聚合物/石墨烯气凝胶复合材料放入其中，保持5?10h后取出放入烘箱中干燥，形成复合电极。 所述的导电聚合物/碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，所述电化学沉积法优选循环伏安法。 上述步骤中所述惰性气体包括氮气、氩气、氦气等其中的一种或者几种。 (三)有益效果本专利技术提供了一种导电聚合物/碳硫复合电极及其制备方法，同现有技术相比具有以下优势:(I)复合电极具有的其巨大的比表面积和三维网络导电骨架，能大大提高硫的负载量，有效减小离子扩散阻力，提高电子传输速率，进而提高活性物质硫的电化学利用率。 (2)复合电极的纳米尺寸的孔隙结构具有强烈吸附作用，可有效抑制电池充放电过程中硫的溶出，进一步提高电池的循环性能。 (3)复合电极中导电聚合物分布均匀，同导电骨架的结合牢固，能有效提高复合电极的稳定性和导电性，同时对硫在充放电过程中的体积变化起到了一定的缓冲作用。 (4)复合电极中电聚合物同硫反应生成的硫-碳化学键的交联作用能限制多硫化物的溶解，抑制穿梭效应对电极的破坏，有效提高电池的循环性能。 (5)复合电极无需外加导电剂和粘结剂，不使用集流体，质量轻，形状尺寸可任意调节，具有制备工序简单，成本低，安全环保，且能量密度高，循环性能好等优点。 (四) 【具体实施方式】以下将结合实施例对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。下面的实施例描述了本专利技术的几种实施方式，它们仅是说明性的，而非限制性的。 实施例1(I)制备石墨烯气凝胶:采用氧化石墨烯粉末与去离子水配置浓度为10mg/ml水溶液，超声震荡5h，再将配置好的氧化石墨烯水溶液10ml加入水热反应釜，在150°C下反应24h，制备氧化石墨烯水凝胶，然后将氧化石墨烯水凝胶放入氨水中，在150°C温度下浸泡24h，冷冻干燥24h得到氧化石墨烯气凝胶。 (2)复合聚吡咯:配置0.2mol/L氯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，由石墨烯气凝胶、导电聚合物和硫组成。

【技术特征摘要】
1.一种导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，由石墨烯气凝胶、导电聚合物和硫组成。2.根据权利要求1所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，所述导电聚合物包括聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚丙烯腈以及其衍生物中的任一种。3.根据权利要求1所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，所述导电聚合物和单质硫均为纳米尺寸，均匀分布在石墨烯气凝胶的表面和空隙中。4.根据权利要求1所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，包含5?10wt%石墨烯气凝胶，15?30wt%导电聚合物,60?80wt%硫。5.根据权利要求1所述的导电聚合物/碳硫复合电极，其特征在于，导电聚合物的厚度为 10?200nm。6.一种权利要求1所述的导电聚合物/碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，石墨烯气凝胶先与硫复合再包覆导电聚合物；或，石墨烯气凝胶先与导电聚合物复合再同硫复合。7.根据权利要求5所述的导电聚合物/碳硫复合电极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤: (O制备石墨烯气凝胶:首先制备氧化石墨烯水溶液，然后加热制备氧化石墨烯水凝胶，再将氧化石墨烯水凝胶放入氨水中浸泡，经冷冻干燥得到氧化石墨烯气凝胶； (2)复合硫:将制备好的石墨烯气凝胶与硫按质量比1:5?1:20放入管式炉中，在惰性气体保护下加热至10(T40(TC,形成硫/石墨烯气凝胶复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇光，钟毓娟，
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