[發明專利]一種三維碳納米管/石墨烯/硫電極片的制備方法

在審

• 申請號: 201610095296.9
• 申請日: 2016-02-21
• 公開（公告）號: CN105609775A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 鐘玲瓏;肖麗芳
• 申請（專利權）人: 鐘玲瓏
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/38;H01M4/139;H01M10/052
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及納米材料合成，特別涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法。

背景技術

鋰硫電池是以金屬鋰為負極，單質硫為正極的電池體系。鋰硫電池的具有兩個放電平臺（約為2.4V和2.1V），但其電化學反應機理比較復雜。鋰硫電池具有比能量高（2600Wh/kg）、比容量高（1675mAh/g）、成本低等優點，被認為是很有發展前景的新一代電池。但是目前其存在著活性物質利用率低、循環壽命低和安全性差等問題，這嚴重制約著鋰硫電池的發展。造成上述問題的主要原因有以下幾個方面：（1）單質硫是電子和離子絕緣體，室溫電導率低（5×10^-30S·cm^-1），由于沒有離子態的硫存在，因而作為正極材料活化困難；（2）在電極反應過程中產生的高聚態多硫化鋰Li₂S_n（8＞n≥4）易溶于電解液中，在正負極之間形成濃度差，在濃度梯度的作用下遷移到負極，高聚態多硫化鋰被金屬鋰還原成低聚態多硫化鋰。隨著以上反應的進行，低聚態多硫化鋰在負極聚集，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多硫化鋰。這種現象被稱為飛梭效應，降低了硫活性物質的利用率。同時不溶性的Li₂S和Li₂S₂沉積在鋰負極表面，更進一步惡化了鋰硫電池的性能；（3）反應最終產物Li₂S同樣是電子絕緣體，會沉積在硫電極上，而鋰離子在固態硫化鋰中遷移速度慢，使電化學反應動力學速度變慢；（4）硫和最終產物Li₂S的密度不同，當硫被鋰化后體積膨脹大約79%，易導致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展，這也是目前鋰硫電池研究需要解決的重點問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種碳納米管/石墨烯/硫復合材料，同時直接制備成鋰硫電池正極片的方法，該方法制備出三維結構的碳納米管/石墨烯，包覆硫納米顆粒，改善硫的導電性，而且能夠阻止放電產物多硫化物的溶解。

本發明提供一種三維碳納米管/石墨烯/硫電極片的制備工藝流程如下：

（1）將碳納米管、石墨烯、聚丙烯腈加入到N-甲基吡咯烷酮，攪拌均勻后超聲反應30-120分鐘，然后混合漿料涂覆到鋁箔上，真空干燥得到電極片；

（2）將得到的電極片放入惰性氣體保護的馬弗爐內，以3-5℃/min的速度緩慢升溫到400-500℃，反應30-60分鐘，自然冷卻；

（3）將（2）得到的電極片完全插入Na₂S₂O₃溶液中，靜止30-60分鐘，然后向溶液中緩慢的滴加1mol/L的鹽酸，直到溶液PH=6.5-7.5，拿出電極片，干燥后得到正極片。

步驟（1）中碳納米管、石墨烯、聚丙烯腈的質量比為1:0.8-1.2:0.8-1.2，超聲反應時間為30-120分鐘，碳納米管的直徑為20-100nm，長度為1-20um。

步驟（3）中電極片插入Na₂S₂O₃溶液的濃度為0.5-2mol/L；鹽酸的加入量剛好使溶液的PH=6.5-7.5

本發明具有如下有益效果：（1）聚丙烯腈在石墨烯層與層之間以及石墨烯與碳納米管之間發生成環反應而交聯在一起，使一維的碳納米管和二維的石墨烯形成一個三維空間，再通過原位還原使硫存儲在這個三維空間中；（2）高電導率的碳納米管和石墨烯材料能有效提高電極片的電導率；（3）在充放電過程中，三維結構的構造有利于鋰離子和電子在多維度傳導路徑中穿梭，提高離子和電子傳導率；（4）本發明制備的電極片可直接用于鋰硫電池的正極，不需要再添加導電劑和粘結劑，大大降低了電極的成本。

附圖說明

圖1是本發明制備的三維碳納米管/石墨烯/硫電極片的SEM圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的較優的實施例作進一步的詳細說明：

實施例1

（1）將1g直徑為20nm長度為1um碳納米管、1g石墨烯、1g聚丙烯腈加入到100mL的N-甲基吡咯烷酮，攪拌均勻后超聲反應30分鐘，然后混合漿料涂覆到鋁箔上，真空干燥得到電極片。

（2）將得到的電極片放入惰性氣體保護的馬弗爐內，以3℃/min的速度緩慢升溫到400℃，反應60分鐘，自然冷卻。