[發明專利]一種硫摻雜三維多孔石墨烯/硫復合正極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201710086816.4
• 申請日: 2017-02-17
• 公開（公告）號: CN106654236B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 陳康華;李娜;甘芳瑜;陳送義
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發明公開了一種硫摻雜三維多孔石墨烯/硫復合正極材料及其制備方法和應用，硫摻雜三維多孔石墨烯/硫復合正極材料由單質硫原位沉積在硫摻雜三維多孔石墨烯的三維碳骨架表面構成，其制備方法是在氧化石墨烯分散液中，先加入亞硫酸氫鈉反應，再加入硫化鈉，在偏中性條件下反應，液固分離，固體產物經過冷凍干燥，即得硫摻雜三維多孔石墨烯/硫復合正極材料，該復合正極材料的硫摻雜量大，硫負載量可控，且負載均勻，活性物質硫的利用率高，具有高比容量，能量密度高，高穩定性等優點，能大大改善鋰硫電池的循環性能。

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池正極材料，特別涉及一種硫摻雜三維多孔石墨烯/硫復合正極材料及其制備方法和復合正極材料在里流電池中的應用，屬于鋰硫電池領域。

背景技術

隨著鋰離子電池在便攜式電子產品、電動汽車和即插式混合電動車中的廣泛應用，迫切需要開發更高能量密度的電池。由于鋰離子電池正極材料比容量提高受到限制，鋰離子電池的能量密度難以進一步大幅度增加。同時通過增加正極材料的電壓平臺提高能量密度又會帶來安全性問題。將正極材料從“脫嵌機理”轉到“轉換反應化學機理”，可望得到高比容量和比能量的材料。單質硫是最有前途的正極材料之一，硫同金屬鋰完全反應生成Li₂S，電池反應為S+2Li＝Li₂S，為雙電子反應過程，不涉及鋰離子的脫嵌反應。由于硫的分子量低，硫的理論比容量高達1675mAh/g(幾乎是LiFePO₄的10倍)，而理論比能量則高達2600Wh/Kg。此外，單質硫在自然界儲量豐富、低毒、價格低廉，因此單質硫是一種非常有吸引力的正極材料。

但是，硫正極材料也面臨一些挑戰，主要包括：(1)中間產物多硫化鋰在電解液中的溶解。在循環過程中，中間產物長鏈多硫化鋰(Li₂S₄至Li₂S₈)能輕易地溶解到醚基電解液中。這個現象將導致電極中活性物質持續減少，其中一部分將在放電終點依然溶解在電解液中而不能再正極表面沉積。因此，這將導致放電容量低和容量快速衰減。多硫化鋰的溶解同時還是引起穿梭效應的原因，造成大量自放電，庫倫效率和循環性能降低，出現不可逆容量衰減。(2)單質硫與放電產物硫化鋰的電導率低。S電導率(5×10^-30S/cm,25℃)，Li₂S/Li₂S₂電導率(～10^-30S/cm)，造成硫的利用率只有50-70％左右。(3)硫在理化過程中產生的巨大體積形變。從斜方晶系α-S(ρ₁＝2.03g/cm³)轉化為反螢石結構的Li₂S(ρ₂＝1.66g/cm³)，體積膨脹大，破壞電極結構，影響了循環穩定性。