[发明专利]一种普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料的制备方法，所述方法步骤如下：（1）将铁氰化钾、盐酸、PVP、氧化石墨烯加入到聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，将水热产物离心分离、干燥，得到PB/rGO复合物；（2）将得到的PB/rGO复合物与单质硫混合，在惰性气体保护的条件下加热熔融后冷却到室温，得到普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料。本发明制备的复合材料中，普鲁士蓝价格便宜、无污染，作为锂硫电池正极材料能够抑制多硫化锂的穿梭效应，石墨烯具有很好的导电性，能够提升整体的电化学性能。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及一种复合材料的制备方法及应用，尤其涉及一种普鲁士蓝/石墨烯/硫（PB/rGO/S）复合材料的制备方法及应用。

背景技术

锂硫电池以金属锂为负极、单质硫为正极，理论比能量可达2600 Wh/kg，远大于现阶段所使用的商业化二次电池。此外，硫的来源广泛、价格低廉、环境友好，因此锂硫电池被认为是极具潜力的新一代高能量密度储能体系。

但是锂硫电池体系活性物质利用率低，循环寿命差，倍率性能差，存在安全隐患，仍然制约着其商业化发展。造成上述问题的原因主要有以下几点：（1）单质硫和放电产物硫化锂（Li₂S）导电性差，是离子绝缘体，导致整个电池体系的导电性很差；（2）锂硫电池放电的中间产物多硫化锂易溶解在醚类电解液中，导致放电产物通过电解液迁移到负极表面，与负极发生反应，使得负极活性物质减少，影响锂硫电池的性能；（3）单质硫在充电过程中体积膨胀严重（体积膨胀80%左右），引起锂硫电池的安全问题。以上的问题也是锂硫电池正要解决的问题。

科研工作者们采用不同的正极制备方法抑制穿梭效应，提升锂硫电池的性能。最近几年研究发现，极性材料与硫复合成为抑制穿梭效应最有效的方法。相比较过去使用的碳材料而言，极性分子（金属氧化物、金属硫化物等）会与锂硫电池放电中间产物 Li₂S_n (4≤n≤8) 之间产生很强的化学吸附作用，从而抑制Li₂S_n溶解到电解液中。

发明内容

本发明针对现有锂硫电池正极材料的不足，提供了一种普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料的制备方法及应用，复合材料中普鲁士蓝价格便宜、无污染，作为锂硫电池正极材料能够抑制多硫化锂的穿梭效应，石墨烯具有很好的导电性，能够提升整体的电化学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）以天然鳞片石墨为原料，氧化制备氧化石墨烯，具体步骤如下：向天然鳞片石墨中依次加入浓H₂SO₄、浓 HNO₃和 NaNO₃搅拌，再加入高锰酸钾和双氧水将石墨氧化得到氧化石墨烯。

（2）将0.1~0.15g铁氰化钾、5~15mL盐酸、3.0~3.5gPVP、50~70mL氧化石墨烯加入到100mL聚四氟乙烯反应釜中进行水热反应，将水热产物离心分离、干燥，得到PB/rGO复合物。

本步骤中，所述盐酸的浓度为0.05~0.15M；氧化石墨烯的浓度为1~5mg/mL；水热反应温度为80~120℃，时间为20~25h。

（3）将得到的PB/rGO复合物与单质硫混合，在惰性气体保护的条件下加热熔融后冷却到室温，得到普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料。

本步骤中，所述PB/rGO与单质硫的质量比为1:1~6；加热熔融的温度为150~180℃，时间为10~24h。

上述方法制备得到的普鲁士蓝/石墨烯/硫复合材料可应用于锂硫电池正极中。

本发明具有如下有益效果：