[发明专利]负载单质硫的球状MoS2/石墨烯纳米复合材料的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池，尤其涉及负载单质硫的球状MoS₂/石墨烯纳米复合材料的制备及应用。

背景技术

随着科技日益发展，锂离子二次电池现已被广泛应用于各种家用电器及高科技产品中。但是目前使用的锂离子二次电池普遍存在比容量较低、成本较高、对环境有一定污染等缺陷。应用较广泛的以钴酸锂为正极材料的锂离子二次充电电池的理论比容量为275mAh/g，实际只有130～140mAh/g。锂离子电池的实验室比容量达到250Wh/Kg，而且受正极材料比容量的限制，很难再有较大提高。因此，寻找高比容量、低成本、环境友好的锂离子二次电池是目前急需解决的问题。

锂硫二次电池是以金属锂为负极，单质硫或硫基复合材料为正极的二次电池，其理论比容量可达到2600Wh/Kg，远大于现阶段所用的商业化锂离子二次电池。此外，硫单质成本低廉、储量丰富、环境友好的特性使该体系既具有极大的商业价值，又能成为“绿色电池”。目前，锂硫二次电池存在的主要问题是正极活性物质硫单质的利用率不高，循环容量衰减严重，根源在于硫单质及其放电产物的电绝缘性(室温电导率为5×10^-30S/cm)、在电解液中的溶解性及金属锂负极的不稳定性，一个主要的原因就是电池充放电过程中会产生溶解度很高的中间产物多硫聚合物离子，扩散并溶解在电解液中，在循环过程中透过隔膜迁移至金属锂负极附近，在负极继续被还原形成不溶的硫化锂沉积在金属锂的表面，造成活性物质的流失；同时多硫聚合物离子溶解在电解液中来回穿梭于正极与负极之间形成了一个内部的“氧化还原穿梭现象”，进一步降低了电池的充放电性能。

目前通常采用硫与导电物质复合的方法来提高单质硫的电化学活性。专利CN102522542提供了单质硫及石墨烯二元复合材料的制备方法。研究表明石墨烯的高电子导电性可以克服单质硫绝缘的问题。同时，其高比表面积可以抑制中间产物在电解液中的溶解，但抑制作用较弱，多次循环后必将引起硫单质流失，使循环稳定性降低。本发明充分利用石墨烯纳米片的大π键与MoS₂表面电子的相互作用，改善了二者电子结构及传递性能，形成的球状包覆结构能在上述专利基础上阻挡大部分中间产物多硫聚合物的扩散与溶解，从而提高循环性能。专利CN102142548提供了一种MoS₂/石墨烯纳米复合材料及其制备方法，石墨烯纳米片的高导电性能可以进一步提高复合材料的导电性能，有利于电化学电极反应和催化反应过程中的电子传递，增强复合材料的电化学性能，在电极材料中有广泛应用。而本发明对该方法进行了简化和改进，利用单质硫与Na₂MoS₄中S^-2的相互作用，降低了对反应条件的要求，缩短了制备时间，一步即完成硫的还原负载，制得性能良好的负载单质硫的球状MoS₂/石墨烯纳米复合材料。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种负载单质硫的球状MoS₂/石墨烯纳米复合材料的制备及应用，制备的锂硫电池正极能够防止多硫化合物的扩散，减小充放电过程中正极电极材料体积的收缩和膨胀，增强循环性能，增大放电容量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

负载单质硫的球状MoS₂/石墨烯纳米复合材料的制备，是通过以下步骤实现的：

将氧化石墨烯分散到去离子水中，其中氧化石墨烯和去离子水的质量比为1:300，得氧化石墨烯水溶液；向氧化石墨烯水溶液中加入Na₂MoS₄和单质硫，其中，氧化石墨烯与Na₂MoS₄的质量比为1：2-4，氧化石墨烯与单质硫的质量比为1：6-10，于95℃回流处理，得固体产物；将所述固体产物离心分离、回收并用去离子水洗涤，100℃真空干燥，最后将真空干燥后的产物在800℃在氮气中退火处理3-5h，一步即得均匀负载单质硫的球状MoS₂/石墨烯纳米复合材料。

本发明还提供了一种负载单质硫的球状MoS₂/石墨烯纳米复合材料。

本发明还提供了一种负载单质硫的球状MoS₂/石墨烯纳米复合材料在作为或制备锂硫电池正极材料中的应用。

本发明的有益效果为，

1.本发明首次将MoS₂/石墨烯纳米复合材料用于负载单质硫，应用于锂硫电池正极中；