[發明專利]硫/聚吡咯-石墨烯復合材料、其制備方法、電池正極以及鋰硫電池

在審

• 申請號: 201210217741.6
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN103515595A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 周明杰;鐘玲瓏;王要兵
• 申請（專利權）人: 海洋王照明科技股份有限公司;深圳市海洋王照明技術有限公司
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/60;H01M4/583;H01M10/052;H01M4/13
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 何平

技術領域

本發明涉及電化學材料領域，尤其涉及一種硫/聚吡咯-石墨烯復合材料及其制備方法。本發明還提供使用該硫/聚吡咯-石墨烯復合材料作為正極活性材料的電池正極，以及使用該電池正極作為正極的鋰硫電池。

背景技術

隨著各種新能源的發展，便攜式電子設備的小型化發展及電動汽車對大容量高功率化學電源的廣泛需求。目前商品化的鋰離子電池大多采用無機正極/石墨體系，其中這些正極材料主要是磷酸鐵鋰，錳酸鋰，鈷酸鋰，鎳酸鋰以及混合的體系。雖然這類體系的電化學性能優異，但是由于其本身容量較低(如磷酸鐵鋰的理論170mAh/g)，制備工藝復雜，成本高等諸多的缺點。所以開發新型的其它種類的正極材料受到了人們的廣泛的重視。

以單質硫作為正極材料的鋰硫電池體系具有極高的理論比容量和比能量，價格低廉，對環境污染小等優點，近些年來受到了廣泛的關注，是下一代鋰電池中最具競爭力的正極材料之一。但是由于單質硫的絕緣特性（室溫電導率為5×10^-30S/cm）和其放電產物在有機電解液中的高溶解性，阻礙了鋰硫電池的商品化進程。已有研究表明通過硫碳復合的方法能夠有效的改善硫電極的性能，這是由于碳材料的高比表面積和吸附性能能夠抑制放電產物的溶解和改善硫電極的導電性，從而提高活性物質的利用率和電池的循環性能。

發明內容

基于上述問題，本發明提供一種硫/聚吡咯-石墨烯復合材料。

本發明的技術方案如下：

一種硫/聚吡咯-石墨烯復合材料，按照質量百分比計算，包括60~80%的硫、15~30%的聚吡咯以及5~25%的石墨烯；優選70%的硫、20%的聚吡咯以及10%的石墨烯。

上述硫/聚吡咯-石墨烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

S1、將石墨烯加入水中超聲0.5~3h形成懸浮液，再將吡咯單體加入懸浮液中攪拌30-120min，然后再加入FeCl₃，繼續攪拌1~5h，水洗、過濾，80℃干燥12h，得到聚吡咯-石墨烯復合材料；其中，FeCl₃與吡咯單體的摩爾比為4:1；石墨烯與吡咯單體的質量比為1:0.6~6；

S2、將單質硫與聚吡咯-石墨烯按照質量比為4~1.5:1的比例混合后，裝入惰性氣體保護的管式爐中，于120~180℃反應1~5h，得到硫/聚吡咯-石墨烯復合材料。

本發明還提供一種電池正極，包括鋁箔以及涂覆在鋁箔上的正極活性材料，該正極活性材料采用上述硫/聚吡咯-石墨烯復合材料。

本發明還提供一種鋰硫電池，其正極采用上述電池正極。

本發明提供的硫/聚吡咯-石墨烯復合材料，石墨烯能夠提供有效的導電網絡，而聚吡咯能有效的吸附硫，這種復合材料可以改善鋰硫電池的電子傳遞，以及提供電池的循環壽命。

附圖說明

圖1為本發明的硫/聚吡咯-石墨烯復合材料制備工藝流程圖。

具體實施方式

本發明提供的硫/聚吡咯-石墨烯復合材料，按照質量百分比計算，包括60~80%的硫、15~30%的聚吡咯以及5~25%的石墨烯。

本發明還提供上述硫/聚吡咯-石墨烯復合材料的制備方法，如圖1所示，包括如下步驟：

S1、將石墨烯加入水中超聲0.5~3h形成懸浮液，再將吡咯單體加入懸浮液中攪拌30-120min，然后再加入FeCl₃，繼續攪拌1~5h，水洗、過濾，80℃干燥12h，得到聚吡咯-石墨烯復合材料；其中，FeCl₃與吡咯單體的摩爾比為4:1；石墨烯與吡咯單體的質量比為1:0.6~6

S2、將單質硫與聚吡咯-石墨烯按照質量比為4~1.5:1的比例混合后，裝入惰性氣體（氮氣及氬氣中的至少一種）保護的管式爐中，于120~180℃反應1~5h，得到硫/聚吡咯-石墨烯復合材料。

本發明還提供一種電池正極，包括鋁箔以及涂覆在鋁箔上的正極活性材料，該正極活性材料采用上述硫/聚吡咯-石墨烯復合材料。

本發明還提供一種鋰硫電池，其正極采用上述電池正極；該鋰硫電池的組裝工藝如下：

將上述制得的電極片作為鋰硫電池正極，以相同大小的鋰片作為負極，再將正極、隔膜、負極按照順序疊片組裝成電芯，再用電池殼體密封電芯，隨后往通過設置在電池殼體上的注液口往電池殼體里注入1M的1mol/L的LiPF₆/碳酸二甲酯的電解液，密封注液口，得到鋰硫電池。