[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明为一种锂硫电池正极材料的制备方法。该方法通过将氧化石墨烯溶液和二氧化硅分散液混合后加入碳酸氢铵，再通过球磨和热熔融法掺硫的工艺制备硫/氮掺杂多孔石墨烯复合锂硫电池正极材料。本发明克服了现有技术制备的锂硫电池正极材料中硫的有效负载量低，多硫化物“穿梭效应”明显，锂硫电池的体积膨胀效应显著以及电池的电化学性能不稳定的缺陷。

技术领域

本发明的技术方案涉及一种高比容量的锂硫电池正极材料的制备方法，特别涉及一种先通过模板法制备多孔氮掺杂石墨烯作为硫载体材料，再利用球磨和热融法掺硫制备硫/多孔氮掺杂石墨烯复合锂硫电池正极材料的方法，属于材料化学领域。

背景技术

随着便携式电子产品、电动汽车和能源储备等相关领域的迅速发展，对电池的性能提出了越来越高的要求。因此，开发具有高性能、低成本和环境友好的新型锂离子二次电池具有非常重要的战略意义。目前，已商业化的锂离子电池理论比容量受自身理论比容量为300mAh/g的限制，显然不能满足对锂离子电池实际应用质量的要求，而新型锂硫电池的理论比容量约为商业锂离子电池理论比容量的五倍(理论比容量为1675mAh/g，比能量为2500Wh/kg)，被认为是最具有发展潜力的高能电池之一。

然而，锂硫电池在实际应用上仍然存在一些关键难题。其一，室温下纯硫是电子和离子的绝缘体(电导率为5×10-30^S·cm^-1)，电子和离子在以硫为正极材料的正极中的传输非常困难。其二，在充放电过程中所形成的中间产物多硫化锂易溶于电解液溶液中，从而导致正极上的电活性物质粉化脱落及溶解损失，且溶解在电解液中的多硫化锂扩散到锂金属负极上，并且反应生成的硫化锂沉淀在负极的表面，导致电池的内阻增大，最终导致电池的容量衰减。其三，硫和最终产物Li₂S的密度不同，硫正极会发生体积膨胀而碎裂(膨胀比为76％)，这些都会导致锂硫电池循环稳定性变差。现有技术中，提高锂硫电池性能的方案是通过填充、混合或包覆的方法将单质硫和具有高的孔结构的多孔材料进行机械复合，形成正极复合材料，从而改善硫基正极的锂离子电导率和电池的循环性能。该多孔材料被要求：一，具有化学稳定性，不与多硫化物和金属锂发生反应；二，不溶于电解质；三，具有较高的锂离子电导率。

石墨烯具有导电性优异、化学稳定性高、比表面积大、机械性能强和独特的二维多孔网络几何结构等卓越的特点，能够简单且易实行的与硫形成包覆结构，利用石墨烯改性锂硫电池，能够提高硫单质的电化学活性，缩短电子与离子传输路径，限制多硫化物的溶解，进而提高锂硫电池整体性能。关于硫/石墨烯复合正极材料研究的现有技术也有报道：CN105609773A报道了一种硫掺杂三维结构锂硫电池正极材料的制备方法，采用水热法以苯磺酸钠为硫源生成三维硫掺杂石墨烯，在N-甲基吡咯烷酮溶液中加入硫掺杂石墨烯与科琴黑超声反应形成三维结构锂硫电池正极材料。CN201310153983.8报道了一种硫-石墨烯复合结构锂硫电池正极材料制备方法，首先制备硫粉、有机胺分散液与石墨烯有机溶剂，将两者混合得到第三分散液，通过滴加水或酸液进行固液分离，最终得到锂硫电池正极材料。CN201610671807.7报道了一种泡沫石墨烯锂硫电池正极片的制备方法，首先将氧化石墨烯和聚丙烯腈球磨混合后分散于乙醇和水的混合溶液，再用泡沫镍浸泡该溶液使氧化石墨烯进入泡沫镍，通过热处理得到泡沫石墨烯，最后将硫涂抹于样品表面进行硫的掺杂，得到锂硫电池正极材料。CN201710242972.5报道了一种锂硫电池正极材料的制备方法，是一种将氧化石墨烯还原、硼掺杂和溶剂热反应一步完成，通过一步法制备硼掺杂石墨烯/硫复合三维结构锂硫电池正极材料的方法。

上述硫/石墨烯复合正极材料的现有技术，虽然在一定程度上改善了锂硫电池的性能，但存在的共同缺陷是：正极材料中硫的有效负载量低，多硫化物“穿梭效应”明显，锂硫电池的体积膨胀效应显著，电池的电化学性能不稳定，材料产量低，工业生产的可行性差。

发明内容