[发明专利]一种高载硫锂硫电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高载硫锂硫电池正极材料及其制备方法和应用，高载硫锂硫电池正极材料的制备方法是将含g‑C₃N₄、氧化石墨烯、硫代硫酸钠及无机酸的分散液进行水热反应，即得载硫量可达到60～88％的硫/石墨烯复合材料；该方法操作简单、成本低，有利于工业化生产，且将复合材料作为锂硫电池正极材料用于制备锂硫电池，表现出良好的循环稳定性和高放电比容量。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极材料，特别涉及一种高载硫锂硫电池正极材料，以及采用g-C₃N₄作为模板剂合成高载硫锂硫电池正极材料的方法，还涉及锂硫电池正极材料在制备电化学性能优异的锂硫电池中的应用，属于锂硫电池技术领域。

背景技术

锂硫电池正极材料的活性物质是硫，负极是金属锂。单质硫作为锂硫电池正极材料的理论比容量高达1675mA h g^-1，理论能量密度为2600Wkg^-1，同时单质硫的价格低，安全无毒，自然界含量丰富，因此锂硫电池受到了极大地关注。然而，锂硫电池体系目前还存在着一些严重问题：(1)单质硫及其放电产物Li₂S、Li₂S₂均为电子绝缘体；(2)中间产物多硫化锂易溶于电解液，并在正极与负极之间穿梭，造成活性物质的损失和库伦效率降低；(3)充放电过程中，硫与硫化锂之间的相互转化引起体积膨胀和收缩，导致电极材料结构的破坏等。研究表明，石墨烯具有较大的比表面积和较高的导电性，可以有效提高活性硫的电化学性能。但是石墨烯片层中C-C键是非极性键，与硫相互作用较弱，且与硫复合时，石墨烯片层之间堆叠严重，载硫量较低。因此石墨烯载硫量低是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术中石墨烯在制备锂硫正极材料过程中存在载硫量低的问题，导致石墨烯在高性能锂硫电池中的应用受到局限，本发明的第一个目的是在于提供一种载硫量高达60～88％，且载硫稳定性好的锂硫电池石墨烯/硫复合正极材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种操作简单、成本低的制备所述高载硫锂硫电池正极材料的方法，该方法以g-C₃N₄为模板，利用其捕捉硫并使其大量的负载在氧化石墨烯片层上，获得高载硫量石墨烯/硫复合正极材料。

本发明的第三个目的是在于提供所述高载硫锂硫电池正极材料的应用，用其制备的锂硫电池表现出良好的循环稳定性和高放电比容量。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种高载硫锂硫电池正极材料的制备方法，该方法是将含g-C₃N₄、氧化石墨烯、硫代硫酸钠及无机酸的分散液进行水热反应，即得。

优选的方案，氧化石墨烯与g-C₃N₄的质量比为10:5～20。

较优选的方案，所述g-C₃N₄由二氰二胺和/或三聚氰胺在保护气氛或空气气氛，以及400～600℃温度条件下煅烧得到。通过该方法得到的是具有片层结构的g-C₃N₄。