[發明專利]一種石墨烯-二硫化鐵復合正極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310259359.6
• 申請日: 2013-06-26
• 公開（公告）號: CN103326002A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 馮林杰
• 申請（專利權）人: 馮林杰
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本發明涉及一種石墨烯-二硫化鐵復合正極材料的制備方法。

背景技術

自上世紀九十年代，Sony公司使用片層石墨代替安全性極差的金屬Li，制備成功第一種可充的鋰離子二次電池以來，鋰離子電池因其高比能量，無污染，應用范圍得到了飛速發展，已從移動通訊電源、筆記本電腦、攝像機等擴大到電動工具、電動汽車等領域。?

鋰-二硫化鐵電池是由二硫化鐵作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，使用有機電解質組成的鋰電池。鋰-二硫化鐵一次電池為室溫放電電池，其額定電壓為1.5?V，這與現在所使用的一般用電器相匹配，可以直接代替傳統的1.5?V水溶液電池（如Zn/HgO、Zn/Ag₂O、Zn/MnO₂電池等）。其正極材料二硫化鐵具有十分優異的特性，在有機電解質中溶解度較小，并且能夠保持其電化學反應活性，一次放電理論比容量高達894?mAh/g，其負極鋰金屬具有較低的標準電極電勢（-3.05?V），其理論比容量值也高達3860?mA/g；因此鋰-二硫化鐵電池具有較高的能量密度、較好的大功率特性和較長的儲存時間。

鋰-二硫化鐵電池正極材料一般直接由天然黃鐵礦經過除雜和粉碎制得，所得到的二硫化鐵材料導電性不高，有效比表面積相對較低，所制得的電池放電效率不高，大電流放電特性欠佳。由于電解質與電極材料(已放電的或未放電的)之間不可取的氧化/還原反應可能會逐漸污染電解質并且降低其有效性或導致過量放氣。這繼而會導致災難性的電池損壞。因此，用于Li/FeS₂電池中的電解質除了促進必需的電化學反應之外，還應當能夠具有良好的離子遷移率，并且能夠將鋰離子(Li⁺)從陽極傳送至陰極，以便它能夠參與陰極中必需的還原反應而產生LiS₂產物。?

發明內容

為克服上述不足，本發明提供一種石墨烯-二硫化鐵復合正極材料的制備方法，使用該方法制備的正極材料，具有良好的充放電性能及循環穩定性。

為了實現上述目的，本發明提供的一種石墨烯-二硫化鐵復合正極材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）制備石墨烯分散液

通過使用改進型Hummer法，用濃硫酸和高錳酸鉀在冰水浴中將石墨氧化成氧化石墨，將氧化石墨超聲剝離成氧化石墨烯，得到均勻分散的氧化石墨烯膠體溶液，在70-90℃水浴中用還原劑將氧化石墨烯還原成石墨烯；

將還原所得產物進行刻蝕，刻蝕劑為質量百分濃度為25-30％氫氟酸的水溶液，刻蝕時間為5-8h，刻蝕完成后，將產物用水和乙醇中的交替反復洗滌3-5次，干燥得到石墨烯粉體，并將所述石墨烯粉體分散于丙酮中得到石墨烯分散液，該分散液的石墨烯濃度為10-15g/l；?

（2）制備二硫化鐵晶體

將FeSO₄攪拌溶解于丙酮和水的混合溶液中制成溶液一，(NH₂)₂CS和PVP攪拌溶解于有丙酮和水的混合溶液中制成溶液二，將溶液一滴入溶液二中，同時加入過量的S粉，其中所述的FeSO₄、(NH₂)₂CS和PVP的摩爾比為1-2∶2-3∶1-2，所述的S的用量應大于反應量，確保在反應中Fe²⁺不被氧化成Fe³⁺；

繼續攪拌后，將所得的混合溶液放進反應釜內，加入丙酮至容積的95％以上，然后密封反應釜，在200-220℃保溫反應24-36h后，過濾，得到黑色沉淀，用二硫化碳、去離子水、有機溶劑和稀硫酸進行洗滌以去除富余的S粉，干燥研磨即得二硫化鐵納米晶體；?

（3）合成石墨烯-二硫化鐵復合正極材料

將二硫化鐵納米晶體加入到上述石墨烯分散液中，其中二硫化鐵納米晶體與石墨烯質量比為100：3-5，機械攪拌3-6h后得到混合糊狀物，將得到的混合糊狀物在氦氣氣體保護下，加熱至120-135?℃，保持?6-10?h后，再加熱至350-380?℃，保持10-15h，然后冷卻至室溫，通過球磨和過篩得到石墨烯-二硫化鐵復合正極材料。

本發明制備的復合正極材料，采用濕法制備高純度二硫化鐵，以保證二硫化鐵的高能量密度，并采用高純石墨烯覆蓋，提高材料的導電性和離子遷移率。因此該復合材料在用于鋰離子電池時，具有良好的充放電性能及使用壽命。

具體實施方式

實施例一