[發(fā)明專(zhuān)利]一種硫化鋅與氧化石墨烯復(fù)合物的制備方法及其在鋰硫電池正極材料中的應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810336867.2
• 申請(qǐng)日: 2018-04-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108539171B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張昭良;孫丹;辛穎;李倩
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/36
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 濟(jì)南泉城專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所 37218
• 代理人: 李桂存

本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硫化鋅與氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法及其在鋰硫電池正極材料中的應(yīng)用。該制備方法具體為：將二硫化碳和乙二胺溶液攪拌混合，得混合溶液；將氧化石墨烯加入到溶劑中超聲處理，然后加入到混合溶液中，得混合液；將硝酸鋅溶液逐滴加入到混合液中，滴加完畢后轉(zhuǎn)移到釜中，反應(yīng)，冷卻，離心分離，洗滌，烘干即可。本發(fā)明以過(guò)度金屬硫化物ZnS為多硫離子的化學(xué)吸附及催化活性位，氧化石墨烯為導(dǎo)電基質(zhì)，以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，加快電子在ZnS和多硫離子界面的的轉(zhuǎn)移和傳輸；本發(fā)明通過(guò)化學(xué)反應(yīng)載硫，降低了能耗且活性物質(zhì)分散均勻。顯著的有高達(dá)90%的硫負(fù)載量，極大的提高了電池的能量密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硫化鋅與氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法及其在鋰硫電池正極材料中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

當(dāng)今社會(huì)，能源短缺和環(huán)境污染使得人們對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用迫在眉睫。但是而無(wú)論何種形式的新能源，對(duì)其能量的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和控制都需要安全、廉價(jià)、高效和長(zhǎng)壽命的電化學(xué)體系來(lái)實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)（EVs）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（hev）的快速發(fā)展和大規(guī)模可再生能源的應(yīng)用持續(xù)增強(qiáng)著人們對(duì)高能量/功率密度、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命、以及低成本電池的需求。如鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鋰類(lèi)的常規(guī)鋰離子電池作為動(dòng)力源已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的要求。相比于傳統(tǒng)鋰離子電池，鋰硫電池以單質(zhì)硫作為正極，金屬鋰作為負(fù)極的二次電池體系。其具備高達(dá)2600 Wh kg^-1理論能量密度，和單質(zhì)硫的1675 mAh g^-1理論比容量的優(yōu)勢(shì)，而且實(shí)際能量密度也有望達(dá)到傳統(tǒng)鋰離子電池的2-5倍；此外，單質(zhì)活性物質(zhì)硫在自然界儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，并且無(wú)毒無(wú)污染。因此，鋰硫電池被看作極具應(yīng)用前景的下一代二次鋰電池技術(shù)。

然而，鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：（1）單質(zhì)S和最終的放電產(chǎn)物L(fēng)i₂S₂和Li₂S的低的電導(dǎo)率導(dǎo)致活性物質(zhì)的利用率較低，造成低的容量的發(fā)揮。（2）循環(huán)過(guò)程中的高達(dá)78%的體積變化導(dǎo)致電接觸的損失并因此導(dǎo)致電極的粉化和坍塌（3）充放電過(guò)程中形成的中間產(chǎn)物易溶解到有機(jī)電解液中，引起穿梭效應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致容量的衰減和差的庫(kù)倫效率，最終使得電池短路。

為了克服以上的問(wèn)題，研究人員做了諸多努力，將單質(zhì)硫與多孔的導(dǎo)電碳材料復(fù)合 ，但是此種方法能物理限域多硫離子，在長(zhǎng)循環(huán)的過(guò)程中不能有效的固定；隨后極性的主體材料被用來(lái)化學(xué)吸附多硫離子，最近的研究取得突破性的進(jìn)展是應(yīng)用有催化活性的硫主體材料來(lái)促進(jìn)多硫化鋰的氧化還原反應(yīng)如：研究論文（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137,11542.）介紹的Pt/G電極，（Energy Environ. Sci. 2017, 10,1476.） 中的MoS₂/rGO電極等，但是催化劑昂貴的成本和有限的催化活性位點(diǎn)限制了活性物質(zhì)硫的負(fù)載量，以上催化劑硫主體存在的顯著問(wèn)題就是硫的載量偏低僅在70%左右。然而活性物質(zhì)低的載量就降低了鋰硫電池實(shí)際應(yīng)用時(shí)的能量密度，不利于其實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了改善鋰硫電池存在的問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種以簡(jiǎn)單溫和的方法制備出氧化石墨烯負(fù)載的硫化鋅（ZnS/GO）的材料，且具有該電極材料的鋰硫電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

本發(fā)明還提供了一種材料氧化石墨烯負(fù)載硫化鋅復(fù)合材料在鋰硫電池正極材料中的應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種硫化鋅與氧化石墨烯的復(fù)合物材料的制備方法，包括以下步驟：