[發(fā)明專利]負載單質(zhì)硫的球狀MoS2/石墨烯納米復合材料的制備及應用

有效

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• 申請日: 2014-06-27
• 公開（公告）號: CN104051735A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發(fā)明（設計）人: 王宗花;王賽;張菲菲;夏建飛;畢賽;夏霖;夏臨華;李延輝;夏延致
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

技術領域

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池，尤其涉及負載單質(zhì)硫的球狀MoS₂/石墨烯納米復合材料的制備及應用。

背景技術

隨著科技日益發(fā)展，鋰離子二次電池現(xiàn)已被廣泛應用于各種家用電器及高科技產(chǎn)品中。但是目前使用的鋰離子二次電池普遍存在比容量較低、成本較高、對環(huán)境有一定污染等缺陷。應用較廣泛的以鈷酸鋰為正極材料的鋰離子二次充電電池的理論比容量為275mAh/g，實際只有130～140mAh/g。鋰離子電池的實驗室比容量達到250Wh/Kg，而且受正極材料比容量的限制，很難再有較大提高。因此，尋找高比容量、低成本、環(huán)境友好的鋰離子二次電池是目前急需解決的問題。

鋰硫二次電池是以金屬鋰為負極，單質(zhì)硫或硫基復合材料為正極的二次電池，其理論比容量可達到2600Wh/Kg，遠大于現(xiàn)階段所用的商業(yè)化鋰離子二次電池。此外，硫單質(zhì)成本低廉、儲量豐富、環(huán)境友好的特性使該體系既具有極大的商業(yè)價值，又能成為“綠色電池”。目前，鋰硫二次電池存在的主要問題是正極活性物質(zhì)硫單質(zhì)的利用率不高，循環(huán)容量衰減嚴重，根源在于硫單質(zhì)及其放電產(chǎn)物的電絕緣性(室溫電導率為5×10^-30S/cm)、在電解液中的溶解性及金屬鋰負極的不穩(wěn)定性，一個主要的原因就是電池充放電過程中會產(chǎn)生溶解度很高的中間產(chǎn)物多硫聚合物離子，擴散并溶解在電解液中，在循環(huán)過程中透過隔膜遷移至金屬鋰負極附近，在負極繼續(xù)被還原形成不溶的硫化鋰沉積在金屬鋰的表面，造成活性物質(zhì)的流失；同時多硫聚合物離子溶解在電解液中來回穿梭于正極與負極之間形成了一個內(nèi)部的“氧化還原穿梭現(xiàn)象”，進一步降低了電池的充放電性能。

目前通常采用硫與導電物質(zhì)復合的方法來提高單質(zhì)硫的電化學活性。專利CN102522542提供了單質(zhì)硫及石墨烯二元復合材料的制備方法。研究表明石墨烯的高電子導電性可以克服單質(zhì)硫絕緣的問題。同時，其高比表面積可以抑制中間產(chǎn)物在電解液中的溶解，但抑制作用較弱，多次循環(huán)后必將引起硫單質(zhì)流失，使循環(huán)穩(wěn)定性降低。本發(fā)明充分利用石墨烯納米片的大π鍵與MoS₂表面電子的相互作用，改善了二者電子結構及傳遞性能，形成的球狀包覆結構能在上述專利基礎上阻擋大部分中間產(chǎn)物多硫聚合物的擴散與溶解，從而提高循環(huán)性能。專利CN102142548提供了一種MoS₂/石墨烯納米復合材料及其制備方法，石墨烯納米片的高導電性能可以進一步提高復合材料的導電性能，有利于電化學電極反應和催化反應過程中的電子傳遞，增強復合材料的電化學性能，在電極材料中有廣泛應用。而本發(fā)明對該方法進行了簡化和改進，利用單質(zhì)硫與Na₂MoS₄中S^-2的相互作用，降低了對反應條件的要求，縮短了制備時間，一步即完成硫的還原負載，制得性能良好的負載單質(zhì)硫的球狀MoS₂/石墨烯納米復合材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供了一種負載單質(zhì)硫的球狀MoS₂/石墨烯納米復合材料的制備及應用，制備的鋰硫電池正極能夠防止多硫化合物的擴散，減小充放電過程中正極電極材料體積的收縮和膨脹，增強循環(huán)性能，增大放電容量。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

負載單質(zhì)硫的球狀MoS₂/石墨烯納米復合材料的制備，是通過以下步驟實現(xiàn)的：

將氧化石墨烯分散到去離子水中，其中氧化石墨烯和去離子水的質(zhì)量比為1:300，得氧化石墨烯水溶液；向氧化石墨烯水溶液中加入Na₂MoS₄和單質(zhì)硫，其中，氧化石墨烯與Na₂MoS₄的質(zhì)量比為1：2-4，氧化石墨烯與單質(zhì)硫的質(zhì)量比為1：6-10，于95℃回流處理，得固體產(chǎn)物；將所述固體產(chǎn)物離心分離、回收并用去離子水洗滌，100℃真空干燥，最后將真空干燥后的產(chǎn)物在800℃在氮氣中退火處理3-5h，一步即得均勻負載單質(zhì)硫的球狀MoS₂/石墨烯納米復合材料。

本發(fā)明還提供了一種負載單質(zhì)硫的球狀MoS₂/石墨烯納米復合材料。

本發(fā)明還提供了一種負載單質(zhì)硫的球狀MoS₂/石墨烯納米復合材料在作為或制備鋰硫電池正極材料中的應用。

本發(fā)明的有益效果為，

1.本發(fā)明首次將MoS₂/石墨烯納米復合材料用于負載單質(zhì)硫，應用于鋰硫電池正極中；