[发明专利]一种超高硫含量二维分子刷及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种超高硫含量二维分子刷及其制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将石墨烯改性接上溴基，得到含有溴官能团的石墨烯；(2)将含溴官能团的石墨烯与高分子单体、配体、溶剂混合均匀，采用表面聚合接枝技术制备二维分子刷；(3)将二维分子刷与硫粉混合均匀，在惰性气体氛围下热处理，得到超高硫含量二维分子刷。本发明中二维分子刷由于含有石墨烯基底以及功能性高分子毛发，不仅提高了活性物质的导电性，降低了电池内部阻抗，减小极化，还能通过高分子毛发与硫粉之间的硫化交联反应固定大量硫活性物质，提高活性物质的利用率，同时还能促进沉积的多硫化锂与硫正极之间的电化学反应，从而提高电池的性能。

技术领域

本发明涉及一种超高硫含量二维分子刷的制备方法，该材料能够应用于高性能锂硫电池中。本发明涉及纳米材料和锂硫电池领域。

背景技术

锂硫电池由于其具有超高的理论容量(1675mAh g^-1)、较高的硫自然储存量、和对环境友好的硫正极材料等优点，在下一代能源存储系统中引起广泛的关注。然而，锂硫电池面临一些限制其商业化应用的关键问题。首先，硫及其放电产物(Li₂S₂/Li₂S)的绝缘特性导致活性物质的利用率低，反应动力学缓慢和低倍率性能。其次，充放电的过程中正极产生的多硫化锂极易溶解到电解质中，导致严重的容量衰减，差的循环稳定性和低库伦效率。另外，在充放电循环过程中硫和Li₂S之间的相互转化会引起正极材料微结构的坍塌，破坏导电网络，从而使锂硫电池的性能进一步恶化。

为了解决上述问题，研究者们已经在硫正极的组成和结构方面做了大量的工作。目前，锂硫电池正极材料的研究主要集中于对多硫化物有物理限域作用的多孔炭材料，对多硫化物有化学吸附作用的金属氧化物、氮化物等材料，与硫发生化学发应的有机硫材料以及能促进多硫化锂和硫之间转化速率的锂硫催化材料上。然而，目前绝大多数锂硫电池正极材料中的硫含量都小于80％，不利于其商业化应用。众所周知，提高硫含量有利于增加硫正极材料的密度，从而提高锂硫电池的体积能量密度。此外，更高的硫含量或硫负载量意味着电池中具有更多的活性物质，无疑会提高电池的能量密度。然而，存在于低硫含量正极材料中的一些关键问题(例如：多硫化物穿梭效应，体积膨胀，容量衰减等)在高硫含量正极材料中将被进一步放大。因此，开发具有超高硫含量的高性能锂硫电池正极材料具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种超高硫含量二维分子刷的制备方法及其在锂硫电池中的应用。本发明在二维石墨烯表面上，利用功能分子刷理念，借助硫与二维功能分子刷的硫化交联反应，设计了一种超高硫含量二维分子刷。首先，石墨烯基底的引入能提高电极材料的导电性；其次，均匀接枝的高分子链有利于诱导硫化交联反应中硫活性物质的均匀分布，提高电池的循环稳定性。

为了达到上述目的，本申请采取的技术方案为：

本发明的第一个目的在于提供一种超高硫含量二维分子刷的制备方法，所述的这种材料是在石墨烯上通过表面接枝技术接枝功能高分子，再经过与硫粉的硫化交联反应制得。

一种超高硫含量二维分子刷的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨烯改性接上溴基，得到含有溴官能团的石墨烯；

(2)将步骤(1)中制得的含溴官能团的石墨烯与高分子单体、配体、溶剂混合均匀，通入惰性气体除氧，再加入催化剂，通入惰性气体除氧，然后再加热反应，经过滤、洗涤、干燥得到二维分子刷；

(3)将步骤(2)中制得的二维分子刷与硫粉混合均匀，在惰性气体氛围下热处理，得到超高硫含量二维分子刷。

优选地，步骤(2)中所述的单体为苯乙烯，丙烯酸，丙烯酸叔丁酯，聚丙烯腈，丙烯酰胺中的一种或几种；所述的配体为N,N,N’,N’,N”-五甲基二乙烯三胺。