[發明專利]一種石墨烯包覆的碳/硫復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810040034.1
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108390025B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 林前鋒
• 申請（專利權）人: 湖南國盛石墨科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 任重;單香杰

本發明公開了一種石墨烯包覆的碳/硫復合材料的制備方法，將碳納米纖維與淀粉混合均勻，然后加入去離子水，進行超聲分散得均勻混合溶液；然后將分散后的混合溶液通過超聲霧化器霧化形成均勻分散的霧珠，通過惰性氣體將霧珠帶入管式爐中依次進行干燥球化處理以及炭化處理，得到碳微球；再將得到的碳微球與單質硫混合進行熱處理，得到碳/硫復合微球；最后將制備得到碳/硫復合微球和氧化石墨烯水溶液混合加入還原劑進行還原得到石墨烯包覆的碳/硫復合微球材料。本發明石墨烯包覆的碳/硫復合材料用作鋰硫電池正極材料時，具有高的首次放電比容量，容量保持率佳，而且制備方法簡單易行、成本低、綠色環保，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于電極材料技術領域，更具體的，涉及一種石墨烯包覆的碳/硫復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著世界能源的消耗需求不斷增長，可開發利用的石油資源日益枯竭，而環境污染卻日益嚴重，因此利用電化學儲能技術將清潔的太陽能，風能儲存再利用無疑是人類在21 世紀解決這一問題的最有效途徑；另外影響人們生活的移動電子設備、電動汽車等也都對未來電化學儲能技術提出了更高的要求。這些都需要安全、低廉、高能量密度和長壽命的二次電池來實現。在諸多儲能方式中，鋰離子電池以質量輕、容量高和無記憶效應等優點，在當今儲能工業占據核心地位。

鋰離子電池使用石墨材料作為負極，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰等含鋰金屬氧化物作為正極，利用鋰離子在正負極之間的“搖椅效應”來貢獻容量，目前現有的二次鋰離子電池自身理論比容量將近300mAh/g，即便如此也難以達到人們所需的二次電池的要求，同時燃料電池在短時間內還較難實用化，因而具有2600Wh/kg理論比能量的鋰硫電池成為目前的研究發展對象。

鋰硫電池以單質硫作為正極，金屬鋰作為負極，其中單質硫的理論比容量就達到1680mAh/g，且單質硫價格低廉、資源豐富，對環境友好，在一定程度上可以替代鋰離子電池，但是鋰硫電池的實際比容量遠遠小于理論比容量，因此限制了它大規模的運用。造成這個現象的主要原因是鋰硫電池在充放電循環的過程中，聚硫化物易溶于電解液中，在循環終止時，并沒有全部轉化成最終產物，造成了有效物質的損失，同時由于聚硫化物的溶解造成的“飛梭效應”，使得鋰硫電池的容量大幅度降低。因此發明出能改善鋰硫電池“飛梭效應”的正極材料十分迫切。

同時為了克服硫單質的缺陷，可向單質硫中添加具有導電性和大比表面積的碳基材料，形成復合正極材料，從而提高單質硫的導電性能同時降低循環過程中活性物質的流失。碳納米纖維作為一種新型的高性能材料，具有高的強度、優良的導電性能及強的吸附性能，可以大量吸附納米硫，減少硫活性物質的流失。但是，分布在碳納米纖維表面的硫一方面增大了碳納米纖維/ 硫復合材料表面的接觸電阻，導致電池倍率性能降低；另一方面，僅靠碳納米纖維的吸附性能很難完全抑制硫活性物質及硫放電時產生的還原產物的流失。

發明內容

針對上述技術問題，本發明的目的是提供一種石墨烯包覆的碳/硫復合材料及其制備方法。

本發明的目的通過以下技術方案予以實現：

一種石墨烯包覆的碳/硫復合材料的制備方法，包括如下步驟：

S1.將碳納米纖維與淀粉按1：4~5混合均勻，然后加入去離子水中，進行超聲分散，得均勻混合溶液；

S2.將分散后的混合溶液通過超聲霧化器霧化形成均勻分散的霧珠，通過惰性氣體將霧珠帶入管式爐中依次進行干燥球化處理以及炭化處理，得到碳微球；

S3.將步驟S2得到的碳微球與單質硫混合在260~300℃下進行熱處理6~10h，得到碳/硫復合微球；

S4.將步驟S3制備得到碳/硫復合微球和氧化石墨烯水溶液按質量比3~6:1 混合，進行超聲分散后加入還原劑，攪拌使其充分反應，過濾并干燥，得到石墨烯包覆的碳/硫復合微球材料。

優選地，步驟S1中超聲分散時間為1~3小時。