[发明专利]硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料、制备方法及锂硫电池

说明书

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料、制备方法及锂硫电池。本发明公开了一种硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将氮掺杂石墨烯与锡盐溶液通过水热反应制得石墨烯‑氧化锡纳米复合材料；步骤2：将所述石墨烯‑氧化锡纳米复合材料与单质硫混合得到混合物，将所述混合物通过真空熔融扩散反应制得硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料。本发明还公开了由上述方法制备的硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料及其锂硫电池。本发明解决了现有技术中单质硫不能有效利用在锂硫电池正极材料中进而导致锂硫电池使用寿命短、导电性、循环稳定性和安全性能较差的技术问题。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料、制备方法及锂硫电池。

背景技术

为了满足日益增加的大规模能源储存需求和可持续性使用，发展新的电化学储能体系迫在眉睫。在新的储能体系中，以金属锂为负极、单质硫为正极的锂硫电池的理论比能量可达到2600Wh/kg(锂和硫的理论比容量分别为3860mAh/g和1675mAh/g)，远大于现阶段所使用的商业化二次电池。此外，锂硫电池因具有突出的高比能量优势和原料成本低、环境友好等优点而受到广泛关注，因此被认为是下一代大规模储能系统中最有价值的研究方向之一。

然而，锂硫电池的商业化仍然遇到了一些技术上的阻碍，例如由于硫单质无法有效固定导致正极活性物质硫的利用率不高，此外，多硫化物溶解产生的穿梭效应以及锂硫电池体积的改变会导致硫单质的利用率降下降，使得锂硫电池的循环稳定性变差，甚至还会产生一系列的安全问题。

对于锂硫电池单质硫的固定，目前的载硫方法一般载量不高或者步骤繁琐，例如采用连续的碳包覆及溶液相氧化反应法，合成了碳包硫纳米片，在制备纯硫化锌纳米片时需将硫化锌杂化纳米片在高温惰性环境下进行煅烧。该方法对设备有一定要求，且步骤繁琐不适宜大规模生产，此外，还有方法将升华硫与介孔氧化硅混合，经过二次煅烧，通过毛细管力将硫单质嵌入孔径内，得到氧化硅硫复合物。该方法通过毛细管力完成固硫，其牢固性仍然差强人意。

因此，现有的锂硫电池正极材料中由于硫单质固定性较差、多硫化物溶解产生的穿梭效应以及锂硫电池体积的改变进而导致锂硫电池使用寿命短、导电性、循环稳定性和安全性能较差成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料、制备方法及锂硫电池，现有技术中由于硫单质固定性较差、多硫化物溶解产生的穿梭效应以及锂硫电池体积的改变进而导致锂硫电池使用寿命短、导电性、循环稳定性和安全性能较差的技术问题。

本发明提供了一种硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将氮掺杂石墨烯与锡盐溶液通过水热反应制得石墨烯-氧化锡纳米复合材料；

步骤2：将所述石墨烯-氧化锡纳米复合材料与单质硫混合得到混合物，将所述混合物通过真空熔融扩散反应制得硫/氧化锡/石墨烯电池正极材料。

更优选的，在步骤1之前还包括将氧化石墨烯与氮源在80～100℃下通过Hummers法反应10～30h，制得氮掺杂石墨烯。

进一步优选，所述Hummers法的反应温度为80℃或90℃

进一步优选，所述Hummers法的反应时间为24h或30h。

更优选的，所述氮源包括单氰胺、三聚氰胺、二聚氰胺和芳基氰胺的一种或任意两种。

进一步优选，所述氮源包括三聚氰胺、单氰胺或二聚氰胺。

优选的，所述水热反应的温度为100～130℃。

更优选的，所述水热反应的温度为100℃、120℃或130℃。