[发明专利]一种锂硫电池用石墨烯碳纳米管复合导电骨架的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用石墨烯碳纳米管复合导电骨架的制备方法，包括步骤：S1、使用氧化石墨烯和碳纳米管粉体制成混合浆料；S2、加入表面活性剂，并混合分散获得氧化石墨烯碳纳米管分散液；S3、加入粘结剂和固化剂，并混合分散获得前躯体溶液；S4、蒸发前躯体溶液中的溶液，并进行固化处理得到石墨烯碳纳米管复合前驱粉体；S5、进行高温碳化还原得到石墨烯碳纳米管三维复合导电骨架。本发明的工艺步骤简单高效，成本低，易于产业化放大，所制备的石墨烯碳纳米管复合粉体，其微观结构碳纳米管分散于石墨烯表面，保持了石墨烯的单层分散结构，石墨烯和碳纳米管之间产生良好的协同效应，是一种高效三维导电骨架。

技术领域

本发明涉及石墨烯复合材料领域，具体涉及一种锂硫电池用石墨烯碳纳米管复合导电骨架的制备方法。

背景技术

锂硫电池以单质硫为阴极，金属锂为阳极，其理论能量密度可达2600Wh/kg，是目前锂离子电池能量密度的6～7倍，而且锂硫电池具有原材料来源丰富，储量大，价格低廉，环境友好等特点，是继锂离子电池后极具发展潜力的新一代储能体系。然而目前商品化的锂硫电池能量密度仅达到300Wh/kg，同其理论能量密度存在较大的差距，这主要是由于硫材料及其放电产物硫化锂及二硫化锂都是电子的不良导体，需要加入大量的导电碳材料如碳纳米管、导电炭黑等，制备硫碳复合材料以改善硫材料的导电性和活性材料利用率等性能。然而目前常用的导电碳材料如碳纳米管、导电炭黑、活性碳等碳材料，尚不能满足锂硫电池的应用需求，尤其是在提高硫碳复合阴极中单质硫含量和单位面积硫负载量，降低导电碳材料含量，以提高电池能量密度的情况下，使用上述常规碳材料制备的硫碳复合材料粉体电阻率较高，硫活性材料的利用率较低。因此进一步提升锂硫电池能量密度需要开发新型高端导电骨架，以满足高能量密度锂硫电池的需求。

石墨烯作为一种新型的二维材料，是由sp²杂化碳原子以蜂巢状结构形式组成的单层碳原子层。这种独特的结构使石墨烯具有优异的物理和化学性质，比如高的电导率和热传导率，大比表面积，高透明度，化学惰性和优异的机械强度，使其在锂硫电池硫碳复合材料导电骨架方面极具优势。但是由于单层石墨烯具有巨大的比表面积，片层之间存在较强的范德华作用力，导致剥离的石墨烯片层之间极易发生片层回叠团聚效应，不能有效发挥石墨烯二维骨架的导电性优势。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明公开了一种锂硫电池用石墨烯碳纳米管复合导电骨架的制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种锂硫电池用石墨烯碳纳米管复合导电骨架的制备方法，包括如下步骤：

S1、使用剪切分散方式获得氧化石墨烯和碳纳米管粉体，然后制成混合浆料；

S2、在步骤S1制得的混合浆料中加入表面活性剂，并混合分散获得氧化石墨烯碳纳米管分散液；

S3、在步骤S2经过表面活性剂改性的氧化石墨烯碳纳米管分散液中加入粘结剂和固化剂，并混合分散获得前躯体溶液，由于粘结剂和固化剂的存在，使得石墨烯和碳纳米管在蒸发和固化工艺中保持水溶液中的分散状态；

S4、蒸发步骤S3得到的前躯体溶液中的溶液，并进行固化处理得到石墨烯碳纳米管复合前驱粉体；

S5、将步骤S4得到的石墨烯碳纳米管复合前驱粉体进行高温碳化还原得到石墨烯碳纳米管三维复合导电骨架。

在步骤S1中，混合浆料的溶剂为去离子水，混合浆料为混合水性浆料。

本发明利用碳纳米管在石墨烯二维片层表面的分散来阻隔石墨烯片与片之间的堆叠效应，从而有效结合石墨烯和碳纳米管的结构优势，构筑一种高效的石墨烯碳纳米管三维复合导电骨架，可以有效降低硫碳复合材料的粉体电阻率，在高硫含量和硫载量条件下提高锂硫电池的能量密度和活性材料利用率。

具体地，所述剪切分散方式为砂磨、均质或超声分散的一种或几种结合。