CN109935820A - 一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，包括如下步骤：(1)氧化石墨烯悬浮液的制备；(2)纳米银/氧化石墨烯悬浮液的制备；(3)混合悬浮液的制备；(4)固体材料的制备；(5)复合材料粉末的制备；(6)将粘结剂溶解在有机溶剂中，再加入步骤(5)中得到的复合材料粉末，将浆料搅匀混合后涂敷到集流体上，然后把涂片放到真空烘箱中在50‑70℃下烘2‑5h以除去溶剂，再刮去涂片上多余的浆料，于0.5‑1MPa的压力下压制制片，最后再放到真空烘箱中烘12‑16h，得到高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料。本发明具有良好的导电性，并且表现出较高的比容量。

Description

一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料及其制备方法。

背景技术

随着电子技术的迅猛发展，包括笔记本电脑和移动通讯设备的各种手提式电子设备进来日益受到人们的关注。人们对设备要求变得更轻，更薄，因此就对高能量密度的电池也提出了更高的要求。

锂硫电池是满足这些要求的有吸引力的电池之一，因为硫来源广泛且廉价的，还比较环保，且显出良好的能量密度，硫的理论单位容量密度为1675mAh/g，所以在高能量密度电池中更占有优势。

锂硫电池使用具有硫-硫键的硫基化合物或者硫单质为正极活性物质，金属锂片为负极活性物质。放电(电化学还原)过程中，硫-硫键断裂，硫的氧化数下降，当再次充电(电化学氧化)过程，硫-硫键重新形成，硫的氧化数升高，电能以化学能的形式重新存储在电池中，放电时又重新转化为电能。

尽管有相当大的优势，锂硫电池存在的问题却阻碍其广泛应用。因为硫及硫的化合物有很好电子和离子绝缘性。为了确保高电流下的可逆电化学反应，硫必须保持与添加的导电剂的紧密接触。制备繁多的锂硫复合材料主要被用于这个目的，但是它们往往受到接触面积的比例的限制，有的还受到通电网络的限制。为此有研究者制得包含硫正极的离子导电剂，液体电解质被用作不仅充放电的媒介，而且被用作含硫正极的离子导电剂。然而这又带来了电解质的进入困难的问题。另一个主要的障碍是在电池的充放电过程中的容量衰减问题。这主要是活性物质在放电和充电过程中在电解质中溶解，由于在充放电的过程中形成的反应中间体多硫化物会扩散到电解液中，从而使活性物质减少，进而造成比容量衰减。另外，在循环中，多硫化物阴离子还有可能通过隔膜到达负极，形成反应副产物，也会造成活性物质的损失。

石墨烯是近几年来迅速兴起的一种新材料。它的结构可以理解为单层的石墨，因此具有极其优良的导电性。而石墨烯独特的二维纳米层状结构以及巨大的比表面积又使其相比于纳米颗粒或纳米线等在作为添加改性材料时具有更为突出的优势。

发明内容

本发明的目的时提供一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料及其制备方法，具有良好的导电性，并且表现出较高的比容量。

具体的技术方案如下：一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到水中超声分散1-2h，得到0.25mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；

(2)向步骤1中得到的氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸银溶液，搅拌10-15min，得到纳米银/氧化石墨烯悬浮液；

(3)将多孔碳材料进行研磨后加入到步骤2中得到的纳米银/氧化石墨烯悬浮液中，超声分散，得到混合悬浮液；

(4)将步骤3中得到的混合悬浮液置于100-150℃油浴中回流反应10-17h后趁热过滤，然后用去离子水和乙醇洗涤3-4次，室温下干燥，得到固体材料；

(5)将步骤4中得到的固体材料与硫放入玛瑙研钵中进行研磨混匀，并将所得混合均匀的混合材料置于管式炉中，在氮气氛的保护下以5℃的升温速度先升温至155℃，保温6h，随后升温至300℃并保温2h，待冷却至温室后得到复合材料，将复合材料进行研磨得到复合材料粉末；

(6)将粘结剂溶解在有机溶剂中，再加入步骤(5)中得到的复合材料粉末，搅拌混合5-10min，得到浆料，将浆料搅匀混合后涂敷到集流体上，然后把涂片放到真空烘箱中在50-70℃下烘2-5h以除去溶剂，再刮去涂片上多余的浆料，于0.5-1MPa的压力下压制制片，最后再放到真空烘箱中烘12-16h，得到高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料。

优选的，步骤2中，所述硝酸银与氧化石墨烯的质量比为1-5:10-50。

优选的，步骤3中，所述多孔碳材料为灵芝药渣基多孔碳或玉米芯基多孔碳材料，多孔碳材料和纳米银/氧化石墨烯悬浮液的质量比为1-5:30-80。

优选的，步骤5中，所述固体材料与硫的质量比3-8:1-5。

优选的，步骤6中，所述粘结剂、有机溶剂和复合材料粉末的的质量比为30-40:1-3:8-10，粘结剂为聚偏氟乙烯，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

优选的，步骤1中，氧化石墨烯、水的质量比1-8:10-30。

本发明具有以下有益效果：本发明的一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料及其制备方法，具有良好的导电性，并且表现出较高的比容量；多孔碳材料因为其具有较高的比表面积，良好的导电性以及强的吸附能力，作为硫宿主材料来浸渍硫时，可以提高硫的利用率；石墨烯是近几年来迅速兴起的一种新材料。它的结构可以理解为单层的石墨，因此具有极其优良的导电性。而石墨烯独特的二维纳米层状结构以及巨大的比表面积又使其相比于纳米颗粒或纳米线等在作为添加改性材料时具有更为突出的优势。

具体实施方式

实施例1

一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到水中超声分散1h，得到0.25mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、水的质量比1:10；

(2)向步骤1中得到的氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸银溶液，搅拌10min，得到纳米银/氧化石墨烯悬浮液；所述硝酸银与氧化石墨烯的质量比为1:10；

(3)将灵芝药渣基多孔碳进行研磨后加入到步骤2中得到的纳米银/氧化石墨烯悬浮液中，超声分散，得到混合悬浮液；多孔碳材料和纳米银/氧化石墨烯悬浮液的质量比为1：30；

(4)将步骤3中得到的混合悬浮液置于100℃油浴中回流反应10h后趁热过滤，然后用去离子水和乙醇洗涤3次，室温下干燥，得到固体材料；

(5)将步骤4中得到的固体材料与硫放入玛瑙研钵中进行研磨混匀，并将所得混合均匀的混合材料置于管式炉中，在氮气氛的保护下以5℃的升温速度先升温至155℃，保温6h，随后升温至300℃并保温2h，待冷却至温室后得到复合材料，将复合材料进行研磨得到复合材料粉末；所述固体材料与硫的质量比3：1；

(6)将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中，再加入步骤(5)中得到的复合材料粉末，搅拌混合5min，得到浆料，将浆料搅匀混合后涂敷到集流体上，然后把涂片放到真空烘箱中在50℃下烘2h以除去溶剂，再刮去涂片上多余的浆料，于0.5MPa的压力下压制制片，最后再放到真空烘箱中烘12h，得到高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料；所述粘结剂、有机溶剂和复合材料粉末的的质量比为30:1:8。

实施例2

一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到水中超声分散2h，得到0.25mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、水的质量比8:30

(2)向步骤1中得到的氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸银溶液，搅拌15min，得到纳米银/氧化石墨烯悬浮液；所述硝酸银与氧化石墨烯的质量比为5：50；

(3)将玉米芯基多孔碳进行研磨后加入到步骤2中得到的纳米银/氧化石墨烯悬浮液中，超声分散，得到混合悬浮液；多孔碳材料和纳米银/氧化石墨烯悬浮液的质量比为5:80；

(4)将步骤3中得到的混合悬浮液置于150℃油浴中回流反应17h后趁热过滤，然后用去离子水和乙醇洗涤4次，室温下干燥，得到固体材料；

(5)将步骤4中得到的固体材料与硫放入玛瑙研钵中进行研磨混匀，并将所得混合均匀的混合材料置于管式炉中，在氮气氛的保护下以5℃的升温速度先升温至155℃，保温6h，随后升温至300℃并保温2h，待冷却至温室后得到复合材料，将复合材料进行研磨得到复合材料粉末；所述固体材料与硫的质量比3-8:1-5；

(6)将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中，再加入步骤(5)中得到的复合材料粉末，搅拌混合10min，得到浆料，将浆料搅匀混合后涂敷到集流体上，然后把涂片放到真空烘箱中在70℃下烘5h以除去溶剂，再刮去涂片上多余的浆料，于1MPa的压力下压制制片，最后再放到真空烘箱中烘16h，得到高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料；所述粘结剂、有机溶剂和复合材料粉末的的质量比为40:3:10。

实施例3

一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到水中超声分散1.5h，得到0.25mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、水的质量比3:18

(2)向步骤1中得到的氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸银溶液，搅拌13min，得到纳米银/氧化石墨烯悬浮液；所述硝酸银与氧化石墨烯的质量比为3：20；

(3)将灵芝药渣基多孔碳进行研磨后加入到步骤2中得到的纳米银/氧化石墨烯悬浮液中，超声分散，得到混合悬浮液；多孔碳材料和纳米银/氧化石墨烯悬浮液的质量比为2:40；

(4)将步骤3中得到的混合悬浮液置于120℃油浴中回流反应13h后趁热过滤，然后用去离子水和乙醇洗涤3次，室温下干燥，得到固体材料；

(5)将步骤4中得到的固体材料与硫放入玛瑙研钵中进行研磨混匀，并将所得混合均匀的混合材料置于管式炉中，在氮气氛的保护下以5℃的升温速度先升温至155℃，保温6h，随后升温至300℃并保温2h，待冷却至温室后得到复合材料，将复合材料进行研磨得到复合材料粉末；所述固体材料与硫的质量比5：3；

(6)将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中，再加入步骤(5)中得到的复合材料粉末，搅拌混合7min，得到浆料，将浆料搅匀混合后涂敷到集流体上，然后把涂片放到真空烘箱中在55℃下烘3h以除去溶剂，再刮去涂片上多余的浆料，于0.7MPa的压力下压制制片，最后再放到真空烘箱中烘14h，得到高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料，所述粘结剂、有机溶剂和复合材料粉末的的质量比为35:2:9。

实施例4

一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到水中超声分散1.8h，得到0.25mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；氧化石墨烯、水的质量比6：25

(2)向步骤1中得到的氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸银溶液，搅拌14min，得到纳米银/氧化石墨烯悬浮液；所述硝酸银与氧化石墨烯的质量比为4：40；

(3)将玉米芯基多孔碳进行研磨后加入到步骤2中得到的纳米银/氧化石墨烯悬浮液中，超声分散，得到混合悬浮液；多孔碳材料和纳米银/氧化石墨烯悬浮液的质量比为4:70；

(4)将步骤3中得到的混合悬浮液置于140℃油浴中回流反应15h后趁热过滤，然后用去离子水和乙醇洗涤4次，室温下干燥，得到固体材料；

(5)将步骤4中得到的固体材料与硫放入玛瑙研钵中进行研磨混匀，并将所得混合均匀的混合材料置于管式炉中，在氮气氛的保护下以5℃的升温速度先升温至155℃，保温6h，随后升温至300℃并保温2h，待冷却至温室后得到复合材料，将复合材料进行研磨得到复合材料粉末；所述固体材料与硫的质量比7:4；

(6)将聚偏氟乙烯溶解在N-甲基吡咯烷酮中，再加入步骤(5)中得到的复合材料粉末，搅拌混合8min，得到浆料，将浆料搅匀混合后涂敷到集流体上，然后把涂片放到真空烘箱中在60℃下烘4h以除去溶剂，再刮去涂片上多余的浆料，于0.9MPa的压力下压制制片，最后再放到真空烘箱中烘15h，得到高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料，所述粘结剂、有机溶剂和复合材料粉末的的质量比为38:2:9。

Claims (6)

1.一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨烯加入到水中超声分散1-2h，得到氧化石墨烯悬浮液；

(2)向步骤1中得到的氧化石墨烯悬浮液中加入硝酸银溶液，搅拌10-15min，得到纳米银/氧化石墨烯悬浮液；

(3)将多孔碳材料进行研磨后加入到步骤2中得到的纳米银/氧化石墨烯悬浮液中，超声分散，得到混合悬浮液；

(4)将步骤3中得到的混合悬浮液置于100-150℃油浴中回流反应10-17h后趁热过滤，然后用去离子水和乙醇洗涤3-4次，室温下干燥，得到固体材料；

(5)将步骤4中得到的固体材料与硫放入玛瑙研钵中进行研磨混匀，并将所得混合均匀的混合材料置于管式炉中，在氮气氛的保护下以5℃的升温速度先升温至155℃，保温6h，随后升温至300℃并保温2h，待冷却至温室后得到复合材料，将复合材料进行研磨得到复合材料粉末；

(6)将粘结剂溶解在有机溶剂中，再加入步骤(5)中得到的复合材料粉末，搅拌混合5-10min，得到浆料，将浆料搅匀混合后涂敷到集流体上，然后把涂片放到真空烘箱中在50-70℃下烘2-5h以除去溶剂，再刮去涂片上多余的浆料，于0.5-1MPa的压力下压制制片，最后再放到真空烘箱中烘12-16h，得到高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料。

2.根据权利要求1所述的一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述硝酸银与氧化石墨烯的质量比为1-5：10-50。

3.根据权利要求1所述的一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述多孔碳材料为灵芝药渣基多孔碳或玉米芯基多孔碳材料，多孔碳材料和纳米银/氧化石墨烯悬浮液的质量比为1-5:30-80。

4.根据权利要求1所述的一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述固体材料与硫的质量比3-8:1-5。

5.根据权利要求1所述的一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述粘结剂、有机溶剂和复合材料粉末的的质量比为30-40:1-3:8-10，粘结剂为聚偏氟乙烯，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

6.根据权利要求1所述的一种高性能石墨烯改性锂硫电池正极活性材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，氧化石墨烯、水的质量比1-8:10-30。