[發明專利]一種氮摻雜石墨烯/二氧化錳/空心硫復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710218780.0
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN106941161B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 鐘玲瓏
• 申請（專利權）人: 深圳市佩成科技有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00
• 代理公司: 深圳市漢唐知識產權代理有限公司 44399
• 代理人: 周丹

本發明提供一種氮摻雜石墨烯/二氧化錳/空心硫復合材料的制備方法，包括如下幾個步驟：步驟（1）：將硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成均一的溶液；步驟（2）：將高純度鎳粉經過高能球磨機球磨，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；步驟（3）：將球形顆粒加入到加入氯化鐵溶液中，攪拌反應，水洗、過濾。步驟（4）：將過濾后的沉淀物加入到含氯化錳和高錳酸鉀溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱攪拌反應，離心、水洗得到二氧化錳包覆的硫顆粒。該復合材料中空心結構的設計為硫材料在充放電過程中的體積膨脹預留空間，能有效提高起電化學性能。

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2.4 V 和2.1 V），但其電化學反應機理比較復雜。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氮摻雜石墨烯/二氧化錳/空心硫復合材料，該復合材料由空心結構的硫、硫外層包覆的二氧化錳材料和氮摻雜的石墨烯網絡組成，導電性良好的在外層石墨烯提供導電網絡，空心結構的硫基材料提供膨脹的空間，硫外層包覆的二氧化錳能夠吸附放電產物多硫化物的溶解，提高材料的電化學性能。

本發明提供一種氮摻雜石墨烯/二氧化錳/空心硫復合材料的制備方法流程如下：

（1）將硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成均一的溶液；

（2）將高純度鎳粉經過高能球磨機球磨，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；

（3）將球形顆粒加入到加入氯化鐵溶液中，攪拌反應，水洗、過濾。

（4）將過濾后的沉淀物加入到含氯化錳和高錳酸鉀溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱攪拌反應，離心、水洗得到二氧化錳包覆的硫顆粒；

（5）將氮摻雜石墨烯加入到水中超聲分散形成均勻懸浮液，再將二氧化錳包覆的硫顆粒加入，攪拌，抽濾，水洗后得到復合材料。

步驟（1）中硫的二硫化碳溶液濃度為1-5g/mL;

步驟（2）中鎳粉：硫粉的質量比為0.05-0.2:1，球磨時間為0.5-2小時，機械攪拌時間為0.5-1小時;

步驟（3）中氯化鐵溶液的濃度為1-2mol/L，攪拌反應時間為1-5小時；