[发明专利]一种石墨烯-二氧化硅复合气凝胶载硫材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种石墨烯‑二氧化硅复合气凝胶载硫材料及其制备方法和应用，属于锂硫电池技术领域。所述制备方法包括以下步骤：(1)将包括碱性纳米硅溶胶和氧化石墨烯的分散液与甲基三甲氧基硅烷混合，发生凝胶化，得到氧化石墨烯‑二氧化硅水凝胶；(2)将所述氧化石墨烯‑二氧化硅水凝胶进行超临界干燥，得到石墨烯‑二氧化硅复合气凝胶；(3)将所述石墨烯‑二氧化硅复合气凝胶与单质硫混合，进行热处理，得到石墨烯‑二氧化硅复合气凝胶载硫材料。本发明制备的石墨烯‑二氧化硅复合气凝胶载硫材料可以有效提高锂硫电池的充放电循环稳定性和使用寿命。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，尤其涉及一种石墨烯-二氧化硅复合气凝胶载硫材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了应对当今世界能源危机以及环境问题，新能源与可再生能源的开发迫在眉睫，其中具有更高能量密度的锂离子电池就是其中最重要的一部分。然而，由于锂离子金属氧化物的容量低，使其在做正极材料时能量密度低于600Wh/kg。另一方面，高性能、灵活方便的可穿戴电子设备成为下一代的能源存储设备的必要条件。因此，越来越多的研究工作者投入到高能量密度、灵活便携的电池材料的开发应用当中。

硫在自然界中来源广泛，且价格低廉、环保，因此使用硫作为正极材料具有高容量(单质硫的高理论比容量为1672mAh/g，理论比能量为2600Wh/kg)，低成本等突出的优点，被认为是最具开发价值和应用前景的正极材料之一。然而，锂-硫电池还存在一些问题制约其发展：(1)硫以及中间体多硫化锂的导电性能差；(2)中间产物多硫化物高溶解度导致容量的快速衰减；(3)中间产物多硫化锂可以扩散到电解液中与金属锂在阳极形成不容性Li₂S，这个过程导致正极活性材料的利用率低，循环性差，库伦效率低；(4)硫的体积膨胀会导致正极的不稳定，降低活性材料的利用率。因而，如何提高锂-硫电池正极活性物质的利用率、延长循环寿命以及提高倍率性能成为目前锂硫电池的研究热点。

碳材料和硫混合形成的碳-硫正极材料可以改善硫正极材料的循环稳定性。利用碳材料的导电性可以弥补硫单质不导电的问题，同时，碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、多孔碳、介孔碳等具备的高孔隙率和强吸附性能可以对多硫化物进行固定，减缓其在电解液中的溶解而造成的穿梭效应。而一定的孔隙结构为硫在充放电过程中的体积膨胀提供一定的缓冲空间，这些可以有效地改善锂硫电池性能，提高活性物质硫的利用率。石墨烯是一种二维碳材料，具有极高的导电性能，少量加入便可使硫正极材料的导电性能极大增加。此外作为一种二维材料，石墨烯对硫有一定的包覆作用，表面的一些官能团(对氧化石墨烯而言)和硫发生化学反应，对硫有一定的固定作用，但总的说来，固定效果较差；其次，碳纳米管、碳气凝胶、多孔碳等自身的孔隙率比较低，载硫量相对不高，对提高正极材料的循环稳定性和使用寿命并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯-二氧化硅复合气凝胶载硫材料及其制备方法和应用，本发明制备的石墨烯-二氧化硅复合气凝胶载硫材料不仅可以解决硫正极材料的绝缘性，充放电过程中硫的体积膨胀以及多硫化物的溶解导致的穿梭效应等问题，对硫材料的固定化作用会更加明显，载硫量更高，从而有效地提高锂硫电池的充放电循环稳定性和使用寿命。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种石墨烯-二氧化硅复合气凝胶载硫材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将包括碱性纳米硅溶胶和氧化石墨烯的分散液与甲基三甲氧基硅烷混合，发生凝胶化，得到氧化石墨烯-二氧化硅水凝胶；

(2)将所述氧化石墨烯-二氧化硅水凝胶进行超临界干燥，得到石墨烯-二氧化硅复合气凝胶；

(3)将所述石墨烯-二氧化硅复合气凝胶与单质硫混合，进行热处理，得到石墨烯-二氧化硅复合气凝胶载硫材料。

优选的，所述步骤(1)中氧化石墨烯与碱性纳米硅溶胶的质量比为0.1～20mg:1g。