[发明专利]在高性能锂/硫电池中作为硫固定剂的氧化石墨烯

说明书

发明人：Yuegang Zhang，Elton J.Cairns，Liwen Ji和Mumin Rao

相关申请的交叉引用

该PCT申请要求2011年9月30日提交的美国临时申请序号61/541,374的优先权，该申请通过参考并入本文似对其整体进行充分陈述。

政府支持的声明

本文描述和要求保护的本发明在美国能源署和加利福尼亚大学董事会之间的合同号DE-AC02-05CH11231下，部分利用由美国能源署提供的资金，用于管理和运作劳伦斯伯克利国家实验室而完成的。政府对本发明具有一定的权力。

背景技术

技术领域

单质硫(S)作为用于高比能可再充电的锂电池的阴极材料是极具吸引力的，因为基于锂/硫(Li/S)对的电池，假定Li与S完全反应形成Li₂S，将产生约1675mAh g^-1的理论比容量和2600Wh kg^-1的理论比能。此外，S还是廉价、丰富和无毒的。因此，S是用于高能量-密度Li/S电池的有前景的阴极材料。尽管具有这些显著的优点，在Li/S电池中仍存在多个挑战。第一个是单质S的高电阻率。第二个是在放电/充电过程期间形成的多硫化物离子的高溶解性(在有机溶剂电解质中)。该可溶的中间体Li多硫化物可通过电解质扩散至Li阳极，从而被还原成固体沉淀物(例如Li₂S或Li₂S₂)。这些还原产物还可在再充电期间扩散回阴极。这些问题可导致低活性材料利用、低库仑效率和S电极的短循环寿命。为了解决这些挑战，各种碳和导电聚合物材料已用于调节S并以此克服其绝缘性质和降低Li多硫化物的溶解，如Nazar等人及其他人所报道的。Archer等人最近的研究证明，介孔碳(C)/S纳米复合材料可在974mAh g^-1下以0.5C的速率循环100个循环，在第1个和第100个循环时相应的库仑效率分别为约96％和94％。尽管有该进展，关于通过化学反应-沉积方法制造新型的C-S阴极的报道仍太少。

附图说明

当结合附图来解读以下说明性实施方式的描述，本领域技术人员将容易地理解前述及其它的方面。

图1a说明的是根据本发明的一种实施方式，在氩气(Ar)中在155℃下热处理12小时后的氧化石墨烯-硫(GO-S)纳米复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图2b说明的是根据本发明的一种实施方式，氧化石墨(GO)的结构和性质。

图3c说明的是根据本发明的一种实施方式，在Ar中在155℃下热处理12小时后的GO-S纳米复合材料的能量-色散X-射线(EDX)光谱。

图2说明的是根据本发明的一种实施方式的透射电子显微镜(TEM)亮场(BF)图像(a)并且碳(b)和S(c)的相应的元素绘图揭示在GO薄片(GO flakes)上均匀的的S涂层。在(d)中显示电子能量-损失光谱(EELS)光谱。

图3说明的是根据本发明的一种实施方式的固定S的GO的代表性图案。

图4说明的是根据本发明的一种实施方式，(a)在0.05mV s^-1扫描速率下的循环伏安法(CV)曲线；(b)在0.02C速率下的恒流放电/充电分布图；(c)在0.02C下经2个循环的初始活化过程后，在0.1C的恒定电流速率下的循环性能；(d)可逆容量vs.电流密度(倍率性能(rate capability))。

图5说明的是根据本发明的一种实施方式，在Ar中在155℃下热处理12小时之前(a)和之后(b)，以10℃/分钟的加热速率在N₂中记录的GO-S纳米复合材料的热比重测定分析(TGA)曲线；(c)在Ar环境中在155℃下热处理12小时后的纯GO。

图6说明的是根据本发明的一种实施方式的纯GO片材的SEM图像(a,b)。

图7说明的是根据本发明的一种实施方式，在热处理前所制备的GO-S纳米复合材料的SEM(a，b)和TEM(c，d)图像。

图8说明的是根据本发明的一种实施方式，(a)热处理前和在Ar中在(b)155℃和(c)160℃的不同的温度下热处理12小时后的GO-S纳米复合材料的X-射线衍射(XRD)图案。

图9说明的是根据本发明的一种实施方式的GO衰减全反射傅里叶变换红外光谱学(ATR-FTIR)光谱。