[发明专利]石墨烯/硫复合材料及其制备方法、电池正极及其制备方法和电池

说明书

技术领域

本发明涉及电化学材料，尤其涉及一种石墨烯/硫复合材料及其制备方法。本发明还涉及一种使用该石墨烯/硫复合材料作为正极活性材料的电池正极及其制备方法。本发明还涉及一种使用所述电池正极的电池。

背景技术

随着各种新能源的发展，便携式电子设备的小型化发展及电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。目前商品化的锂离子电池大多采用无机正极/石墨体系，其中这些正极材料主要是磷酸铁锂，锰酸锂，钴酸锂，镍酸锂以及混合的体系。虽然这类体系的电化学性能优异，但是由于其本身容量较低(如磷酸铁锂的理论170mAh/g)，制备工艺复杂，成本高等诸多的缺点。所以开发新型的其它种类的正极材料受到了人们的广泛的重视。

以单质硫作为正极材料的锂硫电池体系具有极高的理论比容量和比能量，价格低廉，对环境污染小等优点，近些年来受到了广泛的关注，是下一代锂电池中最具竞争力的正极材料之一。但是由于单质硫的绝缘特性（室温电导率为5×10^-30S/cm）和其放电产物在有机电解液中的高溶解性，阻碍了锂硫电池的商品化进程。已有研究表明通过硫碳复合的方法能够有效的改善硫电极的性能，这是由于碳材料的高比表面积和吸附性能能够抑制放电产物的溶解和改善硫电极的导电性，从而提高活性物质的利用率和电池的循环性能。

发明内容

基于上述问题，本发明所要解决的问题在于提供一种石墨烯/硫复合材料。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯/硫复合材料，包括质量比为1~5:5~9的石墨烯与单质硫，且单质硫嵌入到石墨烯的微孔结构中。

上述石墨烯/硫复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将石墨烯与单质硫（优选100目的单质硫）按照质量比1~5:5~9的比例进行研磨2~5小时，得到混合粉体；研磨可以选用玛瑙研钵或球磨机进行，优选球磨机；

S2、无氧环境中，将混合粉体先置于170℃下保温烧结6小时，随后升温至280℃，再保温烧结3小时，最后冷却至室温，得到所述石墨烯/硫复合材料；保温烧结过程是在真空管式炉中进行。

所述石墨烯/硫复合材料的制备方法，步骤S1中，所述石墨烯采用如下步骤制得：

S11、将氧化石墨置于水中超声1~5h，得到浓度为0.1~20g/L的悬浮液；

S12、将浓度为0.1~10mol/L的KOH溶液加入到上述悬浮液中，搅拌，得到凝聚物；其中，KOH与氧化石墨的质量比为1~30:1；

S13、过滤凝聚物，60~80℃干燥24~48h，得到固体粉末，再将固体粉末放入马弗炉中，800~1200℃反应1~5h，冷却后、水洗、干燥得到所述石墨烯。

本发明还提供一种电池正极，包括铝箔以及涂覆在铝箔上的正极材料，其中，所述正极材料包括质量比为85:5:10的上述石墨烯/硫复合材料、聚偏氟乙烯粘结剂和乙炔黑。

上述电池正极的制备方法，包括如下步骤：

A1、质量比为85:5:10的石墨烯/硫复合材料、聚偏氟乙烯粘结剂和乙炔黑混合均匀，制得浆料；

A2、将浆料涂覆到铝箔上，经干燥、轧膜、切边处理，制得电池正极。

本发明还提供一种电池，该电池的正极上述电池正极；该电池的组装如下：。

将正极、隔膜、负极按照顺序叠组装成电芯，再用电池壳体密封电芯，随后通过设置在电池壳体上的注液口往电池壳体里注入电解液，密封注液口，得到电池；该电池为锂硫电池。

上述锂硫电池中，电解液中的溶质电解液采用LiPF₆、LiBF₄、LiTFSI(LiN(SO₂CF₃)₂)或LiFSI(LiN(SO₂F)₂)等；电解液的浓度一般为1mol/L；溶剂采用碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯及乙腈中的一种或多种混合。

本发明提供的石墨烯/硫复合材料，单质硫嵌入到石墨烯的微孔结构中，制备了石墨烯/单质硫复合材料，高比表面积的石墨烯的微孔结构能防止硫的放电产物的流失，降低了溶解性；同时由于石墨烯的高的电导率以及与单质硫的充分接触提高了硫电极的电导率。

附图说明

图1为实施例5的电池结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。

实施例1~4是石墨烯/硫复合材料的制备方法，实施例5~8是以实施例1~4制备的材料作为锂硫电池正极的应用。