[發(fā)明專利]一種作為鋰硫電池正極的石墨烯/硫多孔微球復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010430620.4
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111653777B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙紅
• 申請（專利權(quán)）人: 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院;平山科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M10/052
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 朱繼超

本發(fā)明屬鋰硫電池技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種作為鋰硫電池正極的石墨烯/硫多孔微球復(fù)合材料的制備方法，以石墨烯為載體，采用噴霧干燥得到石墨烯微球，石墨烯微球上的多個微孔，為在120?180℃下經(jīng)升華為氣態(tài)的硫提供了“預(yù)留緩沖空間”，氣態(tài)硫進入微孔后得到的石墨烯/硫微球在充放電過程中可有效緩沖正極材料的體積變化，同時還能阻擋多硫化物的“圍墻”，減少了多硫化物的穿梭效應(yīng)。同時，通過對石墨烯/硫微球進行熱處理，可有效去除石墨烯/硫微球表面多余的硫，確保硫最大限度負載于石墨烯微球的內(nèi)部，減少多硫化物離開正極材料表面的機會，從而進一步減少多硫化物的穿梭效應(yīng)。本發(fā)明的石墨烯/硫多孔微球復(fù)合材料的克容量達到600mAh/g，導(dǎo)電性能優(yōu)異。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種作為鋰硫電池正極的石墨烯/硫多孔微球復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠遠高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池的容量(150mAh/g)。同時，硫是一種對環(huán)境友好的元素，對環(huán)境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池。不過鋰硫電池存在許多問題，就硫正極而言，主要是硫的導(dǎo)電性能差，硫正極的體積膨脹嚴重，及多硫化物溶解在電解液中，并穿過隔膜，向負極擴散，與負極的金屬鋰直接發(fā)生反應(yīng)(俗稱“穿梭效應(yīng)”)。人們已經(jīng)采取各種方法去改善上述問題，其中最普遍的策略是采用具有高比表面積和導(dǎo)電性能好的納米結(jié)構(gòu)碳材料，比如，石墨烯作為硫正極單質(zhì)硫的載體。石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，其作為單質(zhì)硫的載體可以在一定程度上提高硫正極的導(dǎo)電性，且石墨烯特有的柔性可以有效緩解硫正極在充放電過程中的體積變化。但是二維的石墨烯材料只能很小程度上實現(xiàn)對多硫化物的吸附和物理阻擋，而不能有效緩解多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提出一種作為鋰硫電池正極的石墨烯/硫多孔微球復(fù)合材料及其制備方法。通過將石墨烯與單質(zhì)硫制備成三維多孔復(fù)合微球，在發(fā)揮石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能和緩沖硫正極體積變化的同時，通過石墨烯/硫多孔微球的空隙實現(xiàn)對多硫化物的物理禁錮，從而更為有效地抑制多硫化物的“穿梭效應(yīng)”，提高鋰硫電池的綜合性能。

為了克服上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:

一種作為鋰硫電池正極的石墨烯/硫多孔微球復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:

(1)取石墨烯分散于乙醇的水溶液中，加入表面活性劑，攪拌，得漿料；

(2)將步驟(1)的漿料進行噴霧干燥處理，得石墨烯微球；

(3)向石墨烯微球中加入硫粉，攪拌混合，在120-180℃下加熱，得到石墨烯/硫微球；

(4)將石墨烯/硫微球進行熱處理，得所述石墨烯/硫多孔微球復(fù)合材料。

其中，噴霧干燥的原理是利用高壓泵，在70-200個大氣壓下將物料通過霧化器(噴槍)，聚化成霧狀微粒與熱空氣直接接觸，進行熱交換，并在短時間完成干燥。噴霧干燥過程中的進口溫度為100-160℃，出口溫度為80-120℃，進料蠕動泵轉(zhuǎn)速為5-20r/min。

作為上述方案的進一步改進，所述石墨烯是采用機械剝離或化學(xué)氣相沉積方法制得。

作為上述方案的進一步改進，所述石墨烯的直徑為0.2-5um。

作為上述方案的進一步改進，所述石墨烯的層數(shù)為1-10層。

作為上述方案的進一步改進，所述表面活性劑為十二烷基硫酸鈉。

作為上述方案的進一步改進，步驟(3)中所述加熱的時長為10-20h。

作為上述方案的進一步改進，步驟(4)中所述熱處理的溫度為150-250℃，所述熱處理的時長為1-6h。