[发明专利]一种掺杂二氧化锰的硫碳正极复合材料及其制备方法和电池

说明书

本发明涉及一种掺杂二氧化锰的石墨烯硫碳正极复合材料及其制备方法。本发明在制备氧化石墨烯的过程中一步实现石墨烯的制备、二氧化锰掺杂以及硫的复合，并对石墨烯的制备副产物进行利用，获得一种氧化石墨烯/二氧化锰/纳米硫均匀掺杂的三元混合型复合材料。本发明具有工艺简便、成本低廉以及适合大批量生产的优点，制备出的复合正极材料导电性好、循环稳定性高，有效抑制多硫化物溶解及穿梭效应，实现对石墨烯生产过程中的废液进行二次利用，避免了资源浪费和环境污染。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，具体涉及一种掺杂二氧化锰的石墨烯硫碳正极复合材料及其制备方法。

背景技术

随着能源需求的不断增长和随之带来的污染问题，具有高能量密度的锂离子电池引起了人们的广泛关注，并且已经在可持续再生能源工业、交通行业、特别是消费电子产业等成功应用。然而，受限于传统锂离子电池正极材料理论比容量的限制，发展新的电化学储能体系势在必行。锂硫电池(Li-S电池)的理论能量密度最高可达2600Wh/kg，并且硫元素引入价格便宜、资源丰富以及对环境友好，因此锂硫电池有望成为未来的高能量密度和长循环寿命优点的二次电池的首选。

但是，锂硫电池也存在一些缺点制约着其商业化进程，例如正极活性物质硫的电子电导率低、电化学活性低，充放电中间产物多硫化锂易溶于电解液从而降低充放电效率和活性物质利用率，以及充放电过程中因材料的体积膨胀而造成机械性能差进而影响循环性能等。

为解决上述问题，需要提高锂硫电池的循环性能和充放电效率。有研究人员采用石墨烯和金属氧化物共同与硫复合的方法来提高正极活性物质的电导率以及限制多硫化物的溶解。石墨烯具有高比表面积、超高电导率、质量轻、结构强度高等优点，可以有效包覆硫颗粒，形成导电网络，降低界面阻抗，大幅度提高硫的电化学活性，而金属氧化物中的O^2-阴离子官能团也为吸收多硫化物提供了丰富的极性活性位点。然而，以上方法虽然在一定程度上改善了硫的导电性，限制了多硫化物的溶解，抑制了穿梭效应，但是在制备硫/石墨烯/金属氧化物复合正极材料的过程中需分别添加或制备石墨烯和金属氧化物，工艺繁琐且成本高，不利于工业化大规模生产，石墨烯生产中产生废液的处理成本不菲。

因此，仍有必要寻找新的导电性好、电池性能好、循环稳定性高的掺杂金属氧化物的硫碳正极复合材料，并且寻找具有工艺简便、成本低廉、废液可以二次利用的优点的该材料制备过程。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种掺杂二氧化锰的石墨烯硫碳正极复合材料及其制备方法。

通过本发明提供的掺杂二氧化锰的石墨烯硫碳正极复合材料具有导电性好、电池性能好、循环稳定性高的优点，并且能够有效抑制多硫化物溶解及穿梭效应。其制备方法具有工艺简单成本低廉、绿色环保的优点。因而本发明在锂硫电池以及使用该电池的领域均具有广泛的应用前景。

(二)技术方案

本发明提供了一种掺杂二氧化锰的石墨烯硫碳正极复合材料，该复合材料由氧化石墨烯/二氧化锰/硫三元纳米材料复合掺杂而成。

作为本发明优选的方式，所述正极复合材料中硫元素的质量百分比为40％～90％，MnO₂的质量百分比为5％～30％，石墨烯的质量百分比为5％～30％。作为进一步优选，所述正极复合材料中硫元素的质量百分比为50％～80％，MnO₂的质量百分比为10％～25％，石墨烯的质量百分比为10％～25％。

作为本发明优选的方式，所述正极复合材料是在制备氧化石墨烯的过程中一步实现氧化石墨烯、二氧化锰及纳米硫的复合及掺杂。

本发明还提供了一种上述掺杂二氧化锰的石墨烯硫碳正极复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a)采用Hummers法制备氧化石墨烯；