[发明专利]生物小分子与石墨烯复合材料功能膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种生物小分子与石墨烯复合材料功能膜，其制备方法为：将石墨烯和生物小分子试剂加入溶剂N‑甲基吡咯烷酮中，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000～10000cps,得到复合材料浆料；用涂布器将所得复合材料浆料以100～400mm的厚度均匀涂刷在锂硫电池正极材料表面，之后于40～60℃烘箱中烘干，即得到生物小分子与石墨烯复合材料功能膜；本发明提供了多功能石墨烯复合材料的制备方法，操作简单，条件温和，易于大规模生产；制得的生物小分子与石墨烯复合材料用于锂硫电池中，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。

(一)技术领域

本发明属于纳米复合材料研究领域，特别涉及一种用于锂硫电池正极的生物小分子与石墨烯复合材料功能膜及其制备方法，所述的生物小分子与石墨烯复合材料可记作Gra/M，其中，Gra表示石墨烯，M表示二硫苏糖醇、维生素C、谷胱甘肽、β-巯基乙醇等生物小分子。

(二)背景技术

随着经济高速发展和能源消耗量的与日俱增，化石燃料储量的日趋枯竭以及燃烧造成的环境污染，使得人们对新型替代能源的需求越来越紧迫。新能源，特别是化学能源具有清洁环保和安全高效等特点，符合人类可持续发展战略的要求而倍受青睐。锂离子电池自1991年商业化以来，被广泛应用到便携式电子通信设备、电网存储、航天设备、电动骑车等领域，表现出可观的商业前景。经过20多年的发展，传统锂离子电池的正负极材料的性能均已接近其理论极限，但面对越来越庞大的储能系统仍不尽人意。

锂硫电池理论比容量为1675mAh·g^-1，理论比能量为2600Wh·Kg^-1，远高于现有的锂离子电池。并且硫的储量丰富，价格低廉，低毒无公害。因此，锂硫电池成为下一代高比能锂电池的候选，引起了全世界范围的关注。然而，锂硫电池在充放电过程中形成的多硫化锂易溶于液态电解液中造成穿梭效应以及充放电过程中的体积膨胀和金属锂的腐蚀等问题造成了锂硫电池活性物质利用率低、库伦效率低、循环性能差，严重阻碍了其实用化进程。

为了解决这些问题，实现其大规模的使用，必须研究开发简便且成本较低的制备方法来提高锂硫电池的电化学性能，从而提升锂硫电池的实际应用前景。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种生物小分子与石墨烯复合材料功能膜及其制备方法，本发明方法制得的复合材料功能膜厚度可控、物理拦截多硫离子后通过与还原试剂反应将长链多硫离子切断从而抑制穿梭效应，该类生物小分子与石墨烯复合材料功能膜用在锂硫电池中展现出了优异的循环稳定性，具有大规模生产的优势。

本发明采用如下技术方案：

一种生物小分子与石墨烯复合材料功能膜，其制备方法为：

(1)将石墨烯和生物小分子试剂加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000～10000cps,得到复合材料浆料；

所述的生物小分子试剂为二硫苏糖醇、维生素C、谷胱甘肽或β-巯基乙醇等具有还原性的试剂；

所述的石墨烯与生物小分子试剂的质量比为1：0.2～2；

所述溶剂NMP的体积用量以石墨烯的质量计通常为60～100mL/g；

(2)用涂布器将步骤(1)所得复合材料浆料以100～400mm的厚度均匀涂刷在锂硫电池正极材料表面，之后于40～60℃烘箱中烘干，即得到生物小分子与石墨烯复合材料功能膜(可记作Gra/M，其中，M表示生物小分子，Gra表示石墨烯；所得到的生物小分子与石墨烯复合材料功能膜复合于锂硫电池正极材料表面，直接用于后续电池的组装与测试)。

具体的，所述的锂硫电池正极材料可以为多孔碳纳米管/S(PCNTs-S)正极材料，该PCNTs-S正极材料可按照本领域已知的方法进行制备，例如按如下步骤进行：