[发明专利]硫/聚吡咯-石墨烯复合材料、其制备方法、电池正极以及锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及电化学材料领域，尤其涉及一种硫/聚吡咯-石墨烯复合材料及其制备方法。本发明还提供使用该硫/聚吡咯-石墨烯复合材料作为正极活性材料的电池正极，以及使用该电池正极作为正极的锂硫电池。

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，本发明提供一种硫/聚吡咯-石墨烯复合材料。

本发明的技术方案如下：

一种硫/聚吡咯-石墨烯复合材料，按照质量百分比计算，包括60~80%的硫、15~30%的聚吡咯以及5~25%的石墨烯；优选70%的硫、20%的聚吡咯以及10%的石墨烯。

上述硫/聚吡咯-石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将石墨烯加入水中超声0.5~3h形成悬浮液，再将吡咯单体加入悬浮液中搅拌30-120min，然后再加入FeCl₃，继续搅拌1~5h，水洗、过滤，80℃干燥12h，得到聚吡咯-石墨烯复合材料；其中，FeCl₃与吡咯单体的摩尔比为4:1；石墨烯与吡咯单体的质量比为1:0.6~6；

S2、将单质硫与聚吡咯-石墨烯按照质量比为4~1.5:1的比例混合后，装入惰性气体保护的管式炉中，于120~180℃反应1~5h，得到硫/聚吡咯-石墨烯复合材料。

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活性材料，该正极活性材料采用上述硫/聚吡咯-石墨烯复合材料。

本发明还提供一种锂硫电池，其正极采用上述电池正极。

本发明提供的硫/聚吡咯-石墨烯复合材料，石墨烯能够提供有效的导电网络，而聚吡咯能有效的吸附硫，这种复合材料可以改善锂硫电池的电子传递，以及提供电池的循环寿命。

附图说明

图1为本发明的硫/聚吡咯-石墨烯复合材料制备工艺流程图。

具体实施方式

本发明提供的硫/聚吡咯-石墨烯复合材料，按照质量百分比计算，包括60~80%的硫、15~30%的聚吡咯以及5~25%的石墨烯。

本发明还提供上述硫/聚吡咯-石墨烯复合材料的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、将石墨烯加入水中超声0.5~3h形成悬浮液，再将吡咯单体加入悬浮液中搅拌30-120min，然后再加入FeCl₃，继续搅拌1~5h，水洗、过滤，80℃干燥12h，得到聚吡咯-石墨烯复合材料；其中，FeCl₃与吡咯单体的摩尔比为4:1；石墨烯与吡咯单体的质量比为1:0.6~6

S2、将单质硫与聚吡咯-石墨烯按照质量比为4~1.5:1的比例混合后，装入惰性气体（氮气及氩气中的至少一种）保护的管式炉中，于120~180℃反应1~5h，得到硫/聚吡咯-石墨烯复合材料。

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活性材料，该正极活性材料采用上述硫/聚吡咯-石墨烯复合材料。

本发明还提供一种锂硫电池，其正极采用上述电池正极；该锂硫电池的组装工艺如下：

将上述制得的电极片作为锂硫电池正极，以相同大小的锂片作为负极，再将正极、隔膜、负极按照顺序叠片组装成电芯，再用电池壳体密封电芯，随后往通过设置在电池壳体上的注液口往电池壳体里注入1M的1mol/L的LiPF₆/碳酸二甲酯的电解液，密封注液口，得到锂硫电池。