[發明專利]一種過渡金屬硫化物與石墨烯的復合材料及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201711008368.2
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107959005A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 楊植;賴玉崇;聶華貴;化五星;郭澤青;阮春平;黃少銘
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 溫州名創知識產權代理有限公司33258
• 代理人: 陳加利

技術領域

本發明屬于納米復合材料研究領域，特別涉及一種用于鋰硫電池正極的過渡金屬硫化物與石墨烯的復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

隨著經濟高速發展和能源消耗量的與日俱增，化石燃料儲量的日趨枯竭以及燃燒造成的環境污染，使得人們對新型替代能源的需求越來越緊迫。新能源，特別是化學能源具有清潔環保和安全高效等特點，符合人類可持續發展戰略的要求而倍受青睞。鋰離子電池自1991年商業化以來，被廣泛應用到便攜式電子通信設備、電網存儲、航天設備、電動騎車等領域，表現出可觀的商業前景。經過20多年的發展，傳統鋰離子電池的正負極材料的性能均已接近其理論極限，但面對越來越龐大的儲能系統仍不盡人意。

鋰硫電池理論比容量為1675mAh·g^-1，理論比能量為2600Wh·Kg^-1，遠高于現有的鋰離子電池。并且硫的儲量豐富，價格低廉，低毒無公害。因此，鋰硫電池成為下一代高比能鋰電池的候選，引起了全世界范圍的關注。然而，鋰硫電池在充放電過程中形成的多硫化鋰易溶于液態電解液中造成穿梭效應以及充放電過程中的體積膨脹和金屬鋰的腐蝕等問題造成了鋰硫電池活性物質利用率低、庫倫效率低、循環性能差，嚴重阻礙了其實用化進程。

為了解決這些問題，實現其大規模的使用，必須研究開發簡便且成本較低的制備方法來提高鋰硫電池的電化學性能，從而提升鋰硫電池的實際應用前景。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的缺點和不足，而提供一種過渡金屬硫化物與石墨烯復合材料的制備方法。

本發明的第二個目的是提供一種通過上述方法制的的過渡金屬硫化物與石墨烯復合材料，本材料功能膜厚度可控、物理攔截多硫離子后通過與還原試劑反應，從而抑制穿梭效應，該類過渡金屬硫化物與石墨烯復合材料功能膜用在鋰硫電池中展現出了不錯循環穩定性，具有大規模生產的優勢。

本發明的第三個目的是提供一種過渡金屬硫化物與石墨烯復合材料功能膜在鋰硫電池電極的應用。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

(1)將石墨烯和過渡金屬硫化物加入溶劑無水乙醇中，攪拌并超聲分散均勻，并放入烘箱晾干；

所述過渡金屬硫化物為MoS₂；

所述的石墨烯與過渡金屬硫化物的質量比為1：1；

所述無水乙醇的體積用量通常為60～100mL/g；

(2)將混合好的石墨烯與過渡金屬硫化物在氬氣與氫氣混合氣中，加熱至700～800攝氏度20～30min，冷卻；

所述的氬氣與氫氣氣體流量比是1：1，氣體流量為100mg/ml；

(3)將經(1)與(2)處理的試劑加入溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，攪拌并超聲分散均勻，控制粘度在000～10000cps,得到復合材料漿料；

(4)用涂布器將步驟(1)所得復合材料漿料以100～150mm的厚度均勻涂刷在鋰硫電池正極材料表面，之后于40～60℃烘箱中烘干。即得到過渡金屬硫化物與石墨烯復合材料功能膜(可記作Gra/MS，其中，MS表示MoS₂，Gra表示石墨烯；所得到的過渡金屬硫化物與石墨烯復合材料功能膜復合于鋰硫電池正極材料表面，直接用于后續電池的組裝與測試)。

具體的，所述的鋰硫電池正極材料可以為多壁碳納米管/S(CNTs-S)正極材料，該CNTs-S正極材料可按照本領域已知的方法進行制備，例如按如下步驟進行：

(1)多壁碳納米管/S復合材料制備：

多壁碳納米管與單質硫按質量比1：1～4混合，研磨均勻后以料液質量比(即多孔碳納米管與單質硫質量之和與CS₂的質量之比)1：10～15加入CS₂中攪拌，然后置于10～30℃下至CS₂揮發完全后，剩余物質于120～160℃烘箱中保溫8～12h，之后冷卻至室溫，即得多壁碳納米管/S復合材料；

(2)多壁碳納米管/S(CNTs-S)正極材料的制備：

多壁碳納米管/S復合材料與炭黑(導電添加劑)、聚偏氟乙烯(粘結劑)按質量比1：0.05～0.25：0.05～0.15混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，攪拌并超聲分散均勻，控制粘度在1000～10000cps，得到漿料，將所得漿料以150～400mm的厚度均勻涂覆在集流體鋁箔上，然后將鋁箔轉移至40～60℃烘箱內烘干，即得多孔碳納米管/S正極材料；