[发明专利]一种纳米二氧化铈/石墨烯/硫复合材料的制备方法

说明书

本发明为一种纳米二氧化铈/石墨烯/硫复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤：将二硫化碳/硫溶液加入到氧化石墨烯/纳米二氧化铈混合悬浮液中，得到氧化石墨烯/纳米二氧化铈/硫混合溶液，将该混合溶液装入不锈钢反应釜中，在100‑200℃下水热反应5‑24h；清洗、真空冷冻干燥后得到纳米二氧化铈/石墨烯/硫复合材料；该方法创新性的将氧化石墨烯还原、纳米金属氧化物掺杂同负载硫溶剂热反应一步完成，提高反应效率，制备工艺简单，克服了现有技术中锂硫电池正极活性物质利用率低、倍率性能差、循环寿命短、反应效率低、制备工艺复杂的缺点。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料制备领域，具体涉及一种纳米氧化铈/石墨烯/硫复合材料的制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着石油产量的下降和全球环境污染的加剧，世界各国普遍认识到清洁无污染的电动交通工具取代燃油车是一个国家持续发展的必然选择。而高比容量的动力电池技术已成为是纯电动汽车发展的关键。然而基于锂嵌入/脱出的商品化锂离子电池的比能量受其正极材料理论比容量的限制，目前的锂离子电池比能量很难超过200Wh/kg。正极材料的止步不前已成为限制锂离子电池比容量提高的瓶颈，因此亟需开发一种具有更高比能量的新型锂电池正极材料。锂硫电池是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次电池。它具有高比容量(1675mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)。另外，硫作为正极活性物质在来源、成本和环境友好等方面也表现出不可比拟的优势。

但是目前其存在着活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等问题，这严重制约着锂硫电池的发展。但是目前其存在着活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等问题，这严重制约着锂硫电池的发展。造成上述问题的主要原因有以下几个方面：(1)单质硫的绝缘性。单质硫在室温下为电子和离子的绝缘体,在室温下的电子传导率为5×10^-30Scm^-1，离子传导率为10^-15，导致锂硫电池内阻增加，活性物质利用率低。(2)聚硫化合物的溶解，电化学反应产生的中间产物多硫化物(Li₂S_n，n＞4)在电解液中溶解、扩散至锂负极并与之发生反应，造成“穿梭效应”。(3)反应最终产物Li₂S同样是电子绝缘体，会沉积在硫电极上，而锂离子在固态硫化锂中迁移速度慢，使电化学反应动力学速度变慢；(4)硫和最终产物Li₂S的密度不同，当硫被锂化后体积膨胀大约79％，易导致Li₂S的粉化，引起锂硫电池的安全问题。

为解决上述问题，近年来研究最多的是以导电碳材料作为硫的载体以及导电骨架的硫碳复合正极材料。石墨烯具有导电性优异、比表面积大、化学稳定性与机械性能强、独特的二维多孔网络几何结构，能够缩短锂硫电池中电子与离子传输路径，提高单质硫的电化学活性，在充放电循环中，外围的层状石墨烯结构将会对生成的可溶性多硫化锂进行包覆，将其限制在电极材料内部，进而能够减缓穿梭效应，提高库伦效率，从而提高电极的比容量和改善电池的循环寿命。据报道多种金属氧化物通过水热、溶剂热、共沉淀、原子层沉积、溶胶凝胶等合成策略和制备方法得到不同尺寸如纳米级和微米级，不同形貌如颗粒状、棒状、孔状、球状、层状、花状等不同维度金属氧化物以不同的方式如嵌入、卷入、植入修饰石墨烯，可形成层状结构、三明治结构、中空核壳状结构和混合结构等形式的金属氧化物-石墨烯复合物。这种优良的结构使得复合材料与多硫离子之间的物理吸附或化学相互作用，能更好地限制多硫离子的溶出，避免产生“穿梭效应”，从而对活性物质(如硫)起到很好的固定作用，使硫基复合材料表现出更好的循环稳定性。

发明内容