[发明专利]一种过渡金属硫化物与石墨烯的复合材料及其制备方法与应用

说明书

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过渡金属硫化物与石墨烯的复合材料及其制备方法与应用。

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。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种过渡金属硫化物与石墨烯复合材料的制备方法。

本发明的第二个目的是提供一种通过上述方法制的的过渡金属硫化物与石墨烯复合材料，本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，从而抑制穿梭效应，该类过渡金属硫化物与石墨烯复合材料功能膜用在锂硫电池中展现出了不错循环稳定性，具有大规模生产的优势。

本发明的第三个目的是提供一种过渡金属硫化物与石墨烯复合材料功能膜在锂硫电池电极的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

(1)将石墨烯和过渡金属硫化物加入溶剂无水乙醇中，搅拌并超声分散均匀，并放入烘箱晾干；

所述过渡金属硫化物为MoS₂；

所述的石墨烯与过渡金属硫化物的质量比为1：1；

所述无水乙醇的体积用量通常为60～100mL/g；

(2)将混合好的石墨烯与过渡金属硫化物在氩气与氢气混合气中，加热至700～800摄氏度20～30min，冷却；

所述的氩气与氢气气体流量比是1：1，气体流量为100mg/ml；

(3)将经(1)与(2)处理的试剂加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在000～10000cps,得到复合材料浆料；

(4)用涂布器将步骤(1)所得复合材料浆料以100～150mm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。即得到过渡金属硫化物与石墨烯复合材料功能膜(可记作Gra/MS，其中，MS表示MoS₂，Gra表示石墨烯；所得到的过渡金属硫化物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壁碳纳米管/S(CNTs-S)正极材料，该CNTs-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：

(1)多壁碳纳米管/S复合材料制备：

多壁碳纳米管与单质硫按质量比1：1～4混合，研磨均匀后以料液质量比(即多孔碳纳米管与单质硫质量之和与CS₂的质量之比)1：10～15加入CS₂中搅拌，然后置于10～30℃下至CS₂挥发完全后，剩余物质于120～160℃烘箱中保温8～12h，之后冷却至室温，即得多壁碳纳米管/S复合材料；

(2)多壁碳纳米管/S(CNTs-S)正极材料的制备：

多壁碳纳米管/S复合材料与炭黑(导电添加剂)、聚偏氟乙烯(粘结剂)按质量比1：0.05～0.25：0.05～0.15混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000～10000cps，得到浆料，将所得浆料以150～400mm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40～60℃烘箱内烘干，即得多孔碳纳米管/S正极材料；