[發(fā)明專利]一種氟摻雜三維結(jié)構(gòu)鋰硫電池正極材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610092809.0
• 申請日: 2016-02-19
• 公開（公告）號: CN105609774B
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘玲瓏;肖麗芳
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市佩成科技有限責(zé)任公司
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;H01M4/36;H01M10/052
• 代理公司: 深圳市漢唐知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44399
• 代理人: 劉海軍

本發(fā)明提供一種氟摻雜三維結(jié)構(gòu)鋰硫電池正極材料的制備方法，包括：（1）將氧化石墨加入到水中超聲，形成氧化石墨烯懸浮液；（2）將四丁基氟化銨加入到氧化石墨烯懸浮液中，然后轉(zhuǎn)移到水熱釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)完成后乙醇洗、水洗，然后冷凍干燥，得到三維氟摻雜石墨烯；（3）取得到的三維氟摻雜石墨烯與科琴黑加入到N?甲基吡咯烷酮中超聲反應(yīng)形成懸浮液；（4）將單質(zhì)硫加入到N?甲基吡咯烷酮中超聲，直到單質(zhì)硫完全溶解形成懸浮液；（5）將）得到的兩種懸浮液混合，攪拌均勻，然后在攪拌下緩慢的加入蒸餾水，離心、水洗、干燥后得到三維結(jié)構(gòu)的鋰硫電池正極材料。本發(fā)明的方法提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米碳材料合成，尤其涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法。

背景技術(shù)

鋰硫電池是以金屬鋰為負(fù)極，單質(zhì)硫?yàn)檎龢O的電池體系。鋰硫電池的具有兩個(gè)放電平臺（約為2.4 V 和2.1 V），但其電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜。鋰硫電池具有比能量高（2600 Wh/kg）、比容量高（1675 mAh/g）、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的新一代電池。但是目前其存在著活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命低和安全性差等問題，這嚴(yán)重制約著鋰硫電池的發(fā)展。造成上述問題的主要原因有以下幾個(gè)方面：（1）單質(zhì)硫是電子和離子絕緣體，室溫電導(dǎo)率低（5×10^-30S·cm^-1），由于沒有離子態(tài)的硫存在，因而作為正極材料活化困難；（2）在電極反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高聚態(tài)多硫化鋰 Li₂S_n（8＞n≥4）易溶于電解液中，在正負(fù)極之間形成濃度差，在濃度梯度的作用下遷移到負(fù)極，高聚態(tài)多硫化鋰被金屬鋰還原成低聚態(tài)多硫化鋰。隨著以上反應(yīng)的進(jìn)行，低聚態(tài)多硫化鋰在負(fù)極聚集，最終在兩電極之間形成濃度差，又遷移到正極被氧化成高聚態(tài)多硫化鋰。這種現(xiàn)象被稱為飛梭效應(yīng)，降低了硫活性物質(zhì)的利用率。同時(shí)不溶性的Li₂S和 Li₂S₂沉積在鋰負(fù)極表面，更進(jìn)一步惡化了鋰硫電池的性能；（3）反應(yīng)最終產(chǎn)物L(fēng)i₂S同樣是電子絕緣體，會沉積在硫電極上，而鋰離子在固態(tài)硫化鋰中遷移速度慢，使電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)速度變慢；（4）硫和最終產(chǎn)物L(fēng)i₂S的密度不同，當(dāng)硫被鋰化后體積膨脹大約79%，易導(dǎo)致Li₂S的粉化，引起鋰硫電池的安全問題。上述不足制約著鋰硫電池的發(fā)展，這也是目前鋰硫電池研究需要解決的重點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決以上技術(shù)問題本發(fā)明提供一種三維結(jié)構(gòu)鋰硫電池正極材料，同該方法制備出三維結(jié)構(gòu)氟摻雜石墨烯，納米硫顆粒和科琴黑沉積在氟摻雜石墨烯的三維空間結(jié)構(gòu)中，該設(shè)計(jì)能改善硫電機(jī)的導(dǎo)電性，而且能夠阻止放電產(chǎn)物多硫化物的溶解。

本發(fā)明提供一種三維結(jié)構(gòu)的鋰硫電池正極材料的制備工藝流程如下：

（1）將氧化石墨加入到水中超聲，形成氧化石墨烯懸浮液；

（2）將四丁基氟化銨加入到氧化石墨烯懸浮液中，然后轉(zhuǎn)移到水熱釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)完成后乙醇洗、水洗，然后冷凍干燥，得到三維氟摻雜石墨烯；

（3）取步驟（2）得到的三維氟摻雜石墨烯與科琴黑加入到N-甲基吡咯烷酮中超聲反應(yīng)形成懸浮液；

（4）將單質(zhì)硫加入到N-甲基吡咯烷酮中在一定溫度下超聲，直到單質(zhì)硫完全溶解形成懸浮液；

（5）將（4）和（3）得到的兩種懸浮液混合，攪拌均勻，然后在攪拌下緩慢的加入蒸餾水，離心、水洗、干燥后得到三維結(jié)構(gòu)的鋰硫電池正極材料。

步驟（1）中超聲反應(yīng)時(shí)間為10~60分鐘，氧化石墨烯懸浮液的濃度為1~10g/L;

步驟（2）中水熱反應(yīng)的溫度為160~200℃，反應(yīng)時(shí)間為1~6小時(shí)，氧化石墨與四丁基氟化銨的質(zhì)量比為1：0.1~1；

步驟（3）中三維氟摻雜石墨烯與科琴黑的質(zhì)量比為1:0.05~0.5，懸浮液的濃度為1~5g/L；