[发明专利]一种高功率、高比容量的锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率、高比容量的锂硫电池正极材料制备方法，特别涉及一种以活性剂为媒介，通过简单化学法合成石墨烯包覆硫微粒复合物的制备方法，属于材料化学领域。

背景技术

随着便携式电子产品、电动汽车和能源储备等相关领域的迅速发展，对电池的性能提出了越来越高的要求。因此，开发具有高性能、低成本和环境友好的新型锂离子二次电池具有非常重要的战略意义。而目前制约锂离子电池发展的是正极材料的性能，例如LiFePO4，LiMn2O4及三元材料等正极材料，由于其较低理论容量的限制，很难再有所提高。因此，高能量密度、高功率密度、长循环寿命的新型电池材料的开发是锂离子电池技术发展的必然趋势。单质硫因其具有较高的理论比容量（1675mAhg^-1）和较高的理论比能量（2600WhKg^-1），储量丰富，价格低廉，环境友好等优点，从而成为各大科研院所及公司的研究热点课题之一。但是，单质硫本身的导电性差((5×10^-30 Scm^-1 at 25℃))，体积变化大（80%）,并且在充放电过程中与锂离子形成的多硫化物易溶于有机电解液中，这些缺点导致了锂硫电池的循环性能差，容量低，倍率性能不好等缺点，也制约了锂硫电池的进一步市场化。目前，已有很多方法用于硫电极的性能改善，其中较多的是硫/碳复合材料的研发，代表性的有硫/中空碳球的复合材料（N. Jayaprakash, J. Shen, S. S. Moganty, A. Corona , L. A. Archer, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 5904-5908.），硫/碳纳米管的复合材料（J.Guo, Y.Xu, C.Wang, Nano Letter, 2011,11,4288-4294.），硫/介孔球的复合材料（J. Schuster, G. He, B. Mandlmeier, T. Yim, K.T. Lee, T. Bein, L.F. Nazar, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3591 –3595），硫/氧化石墨烯的复合材料（L. W. JI, M.M. Rao,H.M. Zheng, L. Zhang, Y.C.Li, W.H. Duan, J.H. Guo, J.C. Elton, Y.G. Zhang, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18522–18525.），这些方法很大程度上改善了锂硫电池的放电比容量、循环性能及倍率性能。但是硫在复合材料中的含量不高，一般低于80%，使得锂硫电池的整体容量下降，而且大倍率充放电性能有待提高（≥2C；1C=1675mAhg^-1），且难实现工业化生产。如何在保持较高硫含量的前提下，提高锂硫电池的比能量、倍率性能和循环寿命，是目前仍需要努力解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种工艺简单，操作方便，成本低廉，可大规模工业化生产的一种高功率、高比容量的石墨烯包覆硫微粒复合物的制备方法。本发明的技术方案是：以活性剂为媒介，通过简单的化学反应来实现石墨烯包覆硫微粒复合物的制备。具体制备工艺如下：

（1）氧化石墨烯的制备：

将浓硫酸、浓硝酸和石墨放入容器内，在0～20度的温度条件下进行混合搅拌0.5～2小时；然后加入高锰酸钾，溶液升温至30～40度，搅拌0.5～3小时；在缓慢加入一定量的水，体系升温至70～90度，并搅拌0.5～2小时；再加入一定量的水和过氧化氢，溶液温度降至常温，并搅拌0.2～1小时；再加入一定量的水和过氧化氢，溶液温度降至常温，并搅拌0.3～1小时；对溶液进行过滤、清洗，直到溶液PH值为5～7为止，从而去除溶液中含有的各种离子杂质；把得到溶液进行超声、离心，得到氧化石墨烯溶液。

（2）石墨烯包覆硫微粒复合物的合成：

把一定浓度的酸溶液缓慢滴加到硫盐溶液中，1～10分钟后，把活性剂滴加到反应液中，溶液的温度升至50～70度，再加入氧化石墨烯溶液，溶液温度升至75～90度，并进行搅拌0.5～2小时，搅拌速度为500～1200转/分钟，然后过滤、清洗、干燥，得到灰色产物就是石墨烯包覆硫微粒复合物。

本发明所述的浓硫酸：浓硝酸：石墨：高锰酸钾：过氧化氢的摩尔比5～20 : 0.01～0.1 : 1 : 0.5～2:0.3～6；搅拌速度为300～1000转/分钟，超声的频率20～60KHz，离心的速率为3000～12000转/分钟。