[发明专利]一种石墨烯/硫复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉本涉及电化学和新能源材料领域，是一种在水溶液中制备石墨烯/硫复合材料的制备方法。复合材料适用于作为锂硫电池正极材料。

背景技术

随着化石燃料的枯竭和环境污染问题，风能、太阳能等新能源和电动汽车得到全世界的大力发展，人类迫切地需要高能量、高功率的储能装置。目前，受到广泛应用的锂离子电池(磷酸铁锂、锰酸锂和钴酸锂等)在应用中，越来越受到其能量密度的限制。锂硫电池理论容量高达1675mA.h/g,被认为是下一代锂电池中最具前景的正极材料之一。然而，单质硫存在绝缘特性和其放电产物在有机电解液中的高溶解性的问题，限制了其的商品化应用。

石墨烯是由碳原子组成的单层二维平面，是已知材料中最薄最硬的，同时也是比表面积最大，电子传输率最高的新型材料。研究表明，通过硫分散于石墨烯片层的方法能够为单质硫提供高的导电性，同时硫颗粒插层于高比表面积的石墨烯，有效抑制放电产物的溶解和充放电时的体积膨胀，从而提高活性物质的利用率和电池的循环性能。目前硫/石墨烯复合材料的相关报道中，存在着制备工艺复杂，复合不均匀等诸多缺点。

本专利意在提供一种简便易行，并且石墨烯片层质量高，硫颗粒分散均匀的石墨烯/硫复合材料的制备方法。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种可以石墨烯/硫复合材料的制备方法：

步骤一，氧化石墨烯的制备：在石墨中加入强氧化剂，搅拌，控制反应温度低于10摄氏度，反应时间为2-4小时，充分氧化后加入过氧化氢至溶液变金黄色且不再冒泡，离心过滤后得到单层氧化石墨烯。然后将氧化石墨烯溶液冻干成粉末。

步骤二，取步骤一中的氧化石墨烯粉末，溶于去离子水水中，超声30分钟，形成稳定胶体溶液。加入硫代硫酸钠溶液加热搅拌，控制反应温度在95摄氏度，反应时间为3-5小时。同时，向溶液缓慢滴加一定量的硫酸溶液(2h滴完)。

步骤三，对步骤二中所得溶液进行离心，洗去复合物残余离子，得到石墨烯/硫复合物材料。

步骤一中强氧化剂为质量比1：10至1:15的高锰酸钾与98％浓硫酸混合物，对于每克石墨加入高锰酸钾为4.5-10g。步骤二中，使用的氧化石墨烯溶液浓度为0.5mg/ml,硫酸溶液浓度为1mol/L。步骤三中，使用的离心清洗溶剂是去离子水，离心转速为3000-5000rpm。

本发明的有益效果：

本发明是借助氧化石墨烯极好的亲水性，实现硫颗粒良好的分散性。硫代硫酸钠作为还原剂和硫源。相关研究已经表明硫代硫酸钠(Na₂S₂O₃)和二氧化硫(SO₂)均是还原氧化石墨烯的优异还原剂。Na₂S₂O₃还原氧化石墨烯的同时，发生化学反应：S₂O₃^2-+2H₊＝S↓+SO₂↑+H₂O在形成单质硫的同时，生成的SO₂也可以作为还原剂还原氧化石墨烯。反应后，得到石墨烯/硫复合材料。硫均匀分散于大比表面积和高导电性的石墨烯表面，一定程度限制了石墨烯片层的团聚，二组分的协同效应，使复合材料具有高的电化学性能。

本发明经过大量实验验证，总结出一种行之有效的制备方法，不仅工艺简便，而且产物质量高。

附图说明

图1氧化石墨烯AFM照片；

图2石墨烯/硫制备示意图；

具体实施方式

以下实例进一步说明本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施实例一

一种在水溶液中制备石墨烯/硫复合材料的制备方法：

首先制备氧化石墨烯，具体通过以下步骤进行：

步骤一，称取9g高锰酸钾，2g石墨粉，以及50ml质量分数为98％的浓硫酸。

步骤二，将石墨与硫酸加入三口容器中，并将容器放置与冰水中。搅拌下，缓慢加入高锰酸钾，温度不要超过10摄氏度，保持反应1-2小时。

步骤三，将步骤二中所得溶液升至室温，升温时间为2-3小时，然后滴加约50ml去离子水并搅拌，温度达到约98摄氏度。

步骤四，向步骤三中所得溶液加入大量水，在60摄氏度左右，加入质量分数30％过氧化氢至液体呈现金黄色且无气泡冒出。

步骤五，离心，用稀释的盐酸溶液洗至无硫酸根离子。