[发明专利]一种磺酸锂取代氟化石墨烯及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种磺酸锂取代氟化石墨烯及其制备方法和应用；所述磺酸锂取代氟化石墨烯为部分氟原子被磺酸锂基团取代，形成磺酸锂和氟双取代的石墨烯；将所述磺酸锂取代氟化石墨烯涂覆在负极材料表面，其组装的锂电池在充放电过程中可原位生成SEI膜，克服锂电池稳定性不够及循环寿命较短的缺点，即经过磺酸锂取代氟化石墨烯涂抹的负极，组装电池后，随着循环次数的增多，容量的衰减程度变小，表明其循环性能明显提高。所述工艺简单可行，操作方便，普适性强。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种磺酸锂取代氟化石墨烯及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池对日常生活产生了深远的影响，由于其具有比能量高、循环性能好、无污染等优良特性，已经广泛应用于移动电话、数码相机以及便携式计算机等数码产品中，因此也成为近年来化学电源界的研究热点。商业化的使用碳负极的锂离子电池现已基本接近其理论容量，难以满足便携电子设备、电动汽车和大规模能量存储等方面越来越高的应用要求。发展高比能量密度的先进能源存储器件是新能源领域面临的重大挑战之一。

最近5年来，随着研究工具和纳米科技的发展，研究者们基于这些技术在锂电池的研究上取得了多个重大进展。研究表明，在锂离子电池充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，电解液发生还原、分解，形成SEI膜，厚度从几十纳米到几百纳米不等，其成分也比较复杂，通常含有Li₂CO₃、LiF、Li₂O、LiOH等各种无机成分和ROCO₂Li、ROLi、(ROCO₂Li)₂等各种有机成分。通过对锂电池进行了深入细致的研究，发现优良的SEI膜能提高电池的循环效率和可逆容量等性能。在SEI膜形成过程中，未修饰的金属锂表面钝化膜会与电解液反应，从而造成金属锂表面的不平整，加速了锂的不均匀沉积及锂枝晶的产生。另外，锂电池在循环过程中，SEI膜不断的破裂和生成，从而持续地消耗金属锂和电解液，最终导致锂电池的失效。因此，去除金属锂表面不稳定的钝化膜，并构建能稳定存在的SEI膜是解决金属锂负极问题的有效方法之一。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种磺酸锂取代氟化石墨烯及其制备方法和应用；将所述磺酸锂取代氟化石墨烯涂覆在负极材料表面，制备得到的负极在充放电过程中可以原位形成一层致密的SEI膜，有效提高了电池的稳定性。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种磺酸锂取代氟化石墨烯的制备方法，所述方法是利用氟化石墨烯与含硫单质和/或化合物在高温下发生亲核取代反应，将硫连接到氟化石墨烯骨架上，再利用氧化、碱液中和，制备得到所述磺酸锂取代氟化石墨烯。

根据本发明，所述方法包括如下步骤：

1)将氟化石墨烯与含硫单质和/或化合物在高温下进行亲核取代反应；

2)将步骤1)的反应产物与氧化剂混合，反应；

3)对步骤2)的反应体系进行碱液中和；

4)对步骤3)的中和后的反应体系进行透析，去除多余的盐，制备得到磺酸锂取代氟化石墨烯。

根据本发明，步骤1)中，所述含硫单质和/或化合物选自升华硫或金属硫化物，例如为Li₂S。

步骤1)中，所述氟化石墨烯与含硫单质和/或化合物的质量比为1:2-1:10。

步骤1)中，所述亲核取代反应优选在管式炉中进行，所述亲核取代反应的温度为200℃-400℃，所述亲核取代反应的时间为5-20小时；所述亲核取代反应结束后优选自然降温。

根据本发明，步骤2)中，所述氧化剂为浓硝酸、浓硫酸或高锰酸钾中的至少一种；优选地，所述浓硝酸为浓度在68wt％左右；所述浓硝酸的浓度为98wt％左右。