[发明专利]用于锂硫电池的包含硫分子插层在石墨烯层间结构的复合正极材料及其制备方法

权利要求书

1.复合正极材料，所述材料包含元素硫、碳，其特征在于，所述碳以石墨烯的二维结构的多层形式存在，所述硫以硫分子插层在所述石墨烯的层间的形式存在，并且所述碳的二维结构的层间距为0.35-1.00nm，优选0.35-0.60nm，更优选0.39-0.56nm，以及相对于所述材料的总重量，层间的硫含量为5-60重量％，优选30-40重量％。

2.如权利要求1所述的复合正极材料，其特征在于，所述硫分子为选自链状硫S_n中的一种或多种，其中n≥2，n为正整数。

3.如权利要求1所述的复合正极材料，其特征在于，所述材料的尺寸为0.3-20μm，优选0.5-5μm。

4.如权利要求1-3任一项所述的复合正极材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)将具有石墨结构的碳材料氧化得到所述碳材料的氧化物；

(2)将所述碳材料的氧化物、硫和有机溶剂混合，在100-180℃范围的温度下进行溶剂热反应，反应完成后，冷却，洗涤并干燥，得到硫分子插层在石墨烯层间的复合正极材料。

5.如权利要求4所述的制备方法，其中，步骤(2)中的硫选自工业级的天然硫、合成硫和纯化硫，优选工业级的纯化硫，如工业级的升华硫、精制硫和沉降流，更优选升华硫。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其中，步骤(2)中的有机溶剂选自亚砜类有机溶剂、酰胺类有机溶剂、酮类有机溶剂和醇类有机溶剂中的一种或多种，优选选自二甲基亚砜、二乙基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和异丙醇中的一种或多种。

7.如权利要求4或5所述的制备方法，其中，步骤(3)中的所述碳材料的氧化物、硫和有机溶剂的质量分数比例为1:(5-15):(50-150)，优选1:(8-13):(80-120)，更优选1:(9-10):(90-110)，最优选1:10:100。

8.如权利要求1-3任一项所述的复合正极材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)将具有石墨结构的碳材料氧化得到所述碳材料的氧化物；

(2)将所述碳材料的氧化物置于酸性溶液中浸泡，之后分离得到酸预插层的所述碳材料的氧化物；

(3)将所述酸预插层的碳材料的氧化物置于含硫化合物溶液中在0-50℃的温度范围下进行层间反应，层间反应完成后，除去多余的含硫化合物溶液，加入还原剂在20-100℃的温度范围下进行还原反应，还原反应完成后，分离、洗涤并干燥，得到硫分子插层在石墨烯层间的复合正极材料。

9.如权利要求8所述的制备方法，其中，步骤(2)中的所述酸性溶液选自无机酸和有机酸中的一种或多种，优选无机酸如硫酸、磷酸、盐酸、偏硅酸、碳酸、氢硫酸、亚硫酸，有机酸如柠檬酸、抗坏血酸、草酸、乙酸、甲酸。

10.如权利要求8或9所述的制备方法，其中，步骤(2)中的浸泡时间为2-18小时，优选5-15小时，更优选10-13小时，最优选12小时。

11.如权利要求8或9所述的制备方法，其中，步骤(3)中含硫化合物包括硫代硫酸盐和多硫化物，优选所述硫代硫酸盐选自硫代硫酸钠、硫代硫酸钾、硫代硫酸钙，和所述多硫化物选自多硫化钠、多硫化钾。

12.如权利要求8或9所述的制备方法，其中，步骤(3)中所述层间反应的时间为1-10小时，优选2-8小时，更优选3-6小时，最优选4小时。

13.如权利要求8或9所述的制备方法，其中，步骤(3)中的还原剂选自无机还原剂和有机还原剂中的一种或多种，所述无机还原剂优选是铝、锌、铁，硼氢化钠，硼氢化钾，或水合肼，和所述有机还原剂优选是抗坏血酸、柠檬酸、草酸、或氨基酸；所述还原剂优选选自有机还原剂；所述还原剂更优选为抗坏血酸。

14.电极，其包含如权利要求1-3任一项所述的复合正极材料或如权利要求4-13任一项制备方法所制备的复合正极材料。

15.锂硫电池，其包含如权利要求1-3任一项所述的复合正极材料或如权利要求4-13任一项制备方法所制备的复合正极材料。