[發(fā)明專利]一種氧化石墨烯/硫微膠囊復(fù)合材料的制備方法、鋰硫電池正極、鋰硫電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010026820.3
• 申請(qǐng)日: 2020-01-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111146429B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉金云;林夕蓉;韓闐利;彭貞;司廷;李金金
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/13;H01M10/052
• 代理公司: 蕪湖安匯知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34107
• 代理人: 尹婷婷

本發(fā)明公開(kāi)了一種氧化石墨烯/硫微膠囊復(fù)合材料的制備方法、鋰硫電池正極、鋰硫電池，以氧化石墨烯水溶液、含有光引發(fā)劑的有機(jī)光固化材料溶液、聚乙烯醇水溶液，分別作為內(nèi)相、外相、驅(qū)動(dòng)相，利用液驅(qū)同軸流動(dòng)聚焦技術(shù)，內(nèi)相和外相在驅(qū)動(dòng)相的剪切作用下得到氧化石墨烯微膠囊，并將其在紫外光照下固化，經(jīng)洗滌、干燥、高溫碳化、熏硫步驟后制備得到氧化石墨烯/硫微膠囊復(fù)合材料，其具有良好的導(dǎo)電性能，在膠囊內(nèi)部大量的氧化石墨烯為硫的吸附提供了比表面積，增加了硫的活性質(zhì)量，也為硫的體積膨脹提供的緩沖空間，從而改善了鋰硫電池的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于儲(chǔ)能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化石墨烯/硫微膠囊復(fù)合材料的制備方法、鋰硫電池正極、鋰硫電池。

背景技術(shù)

由于環(huán)境污染和化石燃料的枯竭，太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔和可再生能源的需求變得越來(lái)越迫切，因此發(fā)展具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高安全性、綠色環(huán)保和低成本的二次電池在新能源領(lǐng)域具有重大意義。鋰離子電池被廣泛應(yīng)用在人們?nèi)粘Ｉ铑I(lǐng)域。隨著社會(huì)發(fā)展，傳統(tǒng)鋰離子電池已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)能源存儲(chǔ)的需求。

近些年來(lái)，鋰硫(Li-S)電池由于其高的能量密度(2600Wh kg^-1)和理論容(1675mAhg^-1)引起研究人員的廣泛關(guān)注，被視為最有應(yīng)用前景的高容量存儲(chǔ)體系之一。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種電池，其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池(150mAh g^-1)。而單質(zhì)硫在地球中儲(chǔ)量豐富，具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好等特點(diǎn)，非常具有前景。

Li-S電池近年來(lái)成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的高能量密度電池體系，但仍然面臨著許多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。單質(zhì)硫的電子、離子導(dǎo)電性差，硫材料在室溫下的電導(dǎo)率極低(5.0×10-30S·cm^-1)，反應(yīng)的最終產(chǎn)物L(fēng)i₂S₂和Li₂S也是電子絕緣體，使整個(gè)電極材料的導(dǎo)電性都不高。且Li₂S₂和Li₂S不溶于電解液，沉積在導(dǎo)電骨架的表面；部分硫化鋰脫離導(dǎo)電骨架，無(wú)法通過(guò)可逆的充電過(guò)程反應(yīng)變成硫或者是高階的多硫化物，造成了容量的極大衰減。鋰硫電池的中間放電產(chǎn)物會(huì)溶解到有機(jī)電解液中，增加電解液的黏度，降低離子導(dǎo)電性。多硫離子能在正負(fù)極之間遷移，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和電能的浪費(fèi)。溶解的多硫化物會(huì)跨越隔膜擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，破壞了負(fù)極的固體電解質(zhì)界面膜。鋰化時(shí)從硫到Li2S的體積膨脹：S₈(2.07g cm^-3)的密度高于Li₂S(1.66g cm^-3)的密度，導(dǎo)致大的體積膨脹(約80％)。體積膨脹會(huì)導(dǎo)致正極結(jié)構(gòu)的破裂粉碎，活性材料硫從正極脫離，脫離的這部分活性材料的損失會(huì)導(dǎo)致永久性的容量損失。鋰硫電池使用金屬鋰作為負(fù)極，除了金屬鋰自身的高活性，金屬鋰負(fù)極在充放電過(guò)程會(huì)發(fā)生體積變化，并容易形成枝晶，安全性會(huì)降低。

這些問(wèn)題致使電池中硫的利用率低、循環(huán)性能差、容量衰減快、倍率性能差，都亟待進(jìn)一步探索和解決。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種氧化石墨烯/硫微膠囊復(fù)合材料的制備方法、鋰硫電池正極、鋰硫電池。利用價(jià)格低廉原料通過(guò)改進(jìn)hummers法制備得到氧化石墨烯，然后利用液驅(qū)同軸流動(dòng)聚焦技術(shù)得到氧化石墨烯微膠囊，氧化石墨烯微膠囊熏硫后得到氧化石墨烯/硫微膠囊復(fù)合材料。本發(fā)明針對(duì)鋰硫電池硫的體積膨脹問(wèn)題，多硫化物易溶于電解液等相關(guān)難題，提供了一種工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)率高、成本低、能實(shí)時(shí)操作調(diào)控的微膠囊復(fù)合材料制備方法。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種氧化石墨烯/硫微膠囊復(fù)合材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)將氧化石墨烯分散在去離子水中，得到氧化石墨烯水溶液；

(2)將光引發(fā)劑與有機(jī)光固化材料攪拌混合，得到混合溶液A；