[发明专利]一种锂硫电池用自支撑高硫负载正极材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种锂硫电池用自支撑高硫负载正极材料的制备方法。首先结合水热与表面包覆方法，获得聚多巴胺/氧化铁核壳结构；加入氧化石墨烯，采用抗坏血酸还原组装三维自支撑石墨烯/聚多巴胺/氧化铁凝胶，进而通过冰模板技术调控其内部孔道结构；经高温煅烧、盐酸刻蚀，制得石墨烯/碳中空球/少量四氧化三铁框架；结合抽真空技术与快速沉淀法，将单质硫附着于石墨烯/碳中空球内，即得目标复合正极材料。本发明成本低廉，制备工艺可控性强，采用水作溶剂对环境友好。该复合正极材料硫负载量高达87%，面密度≥9毫克/平方厘米，其中物理限域的石墨烯/碳中空球三维框架及四氧化三铁作为多硫化锂的捕获中心，可有效抑制多硫化锂的流失，显著提高硫电导率。

主权项

1.一种锂硫电池用自支撑高硫负载正极材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：（1）配制0.01‑1摩尔/升的三价铁离子盐溶液，将其转移至反应釜中，在120‑200℃下水热反应2‑24小时，经洗涤干燥后，得到纳米氧化铁微球；然后将纳米氧化铁微球分散于PH=8.5Tris‑buffer缓冲液中，超声分散5分钟，再加入盐酸多巴胺，在室温下磁力搅拌24小时，洗涤至中性，获得聚多巴胺/氧化铁核壳结构；其中：氧化铁与盐酸多巴胺的质量比为1:(0.1‑1)；（2）取步骤（1）的聚多巴胺/氧化铁，经超声分散于去离子水中；接着在其中加入氧化石墨烯，经振荡、超声后，再滴加抗坏血酸还原剂，在50‑100℃水浴中静置反应0.2‑2小时，形成三维自支撑石墨烯/聚多巴胺/氧化铁凝胶；然后将三维自支撑石墨烯/聚多巴胺/氧化铁凝胶置于液氮中，利用冰晶生长调控其内部孔道结构；其中：氧化石墨烯与聚多巴胺/氧化铁的质量比为1:(1‑10)；氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为1:(0.5‑5)；（3）将步骤（2）得到的三维自支撑石墨烯/聚多巴胺/氧化铁凝胶冷冻干燥后，在N2气氛下，400‑1000℃下煅烧1‑10小时，控制升温速率为1‑10oC/分钟，获得石墨烯/碳/四氧化三铁气凝胶；然后将其浸泡于4摩尔/升盐酸溶液中，调控刻蚀时间，保留少量四氧化三铁，获得石墨烯/碳中空球/少量四氧化三铁框架；（4）将步骤（3）得到的石墨烯/碳中空球/少量四氧化三铁框架浸泡于50毫升，0.05‑1摩尔/升硫代硫酸钠溶液中，然后置于真空干燥器中，通过抽真空方式使硫代硫酸钠溶液充分进入石墨烯/碳中空球/少量四氧化三铁框架中，尤其是碳中空球内；接着在其中逐滴滴加1.5摩尔/升盐酸溶液，缓慢磁力搅拌1小时，得到石墨烯/碳中空球/少量四氧化三铁负载硫复合材料；最后将所述复合材料在N2气氛下煅烧0.25‑4小时，升温速率为2‑10℃/分钟，最终获得三维自支撑锂硫电池正极材料；其中，硫代硫酸钠与盐酸的摩尔比为1:(0.5‑4)。