[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法和将其在制备锂硫电池中的应用。该正极材料包括纳米二氧化硅介孔球，富官能团碳包覆层、三维网状还原氧化石墨烯和升华硫四个部分。其制备方法采用自组装方式得到尺寸不同的纳米二氧化硅介孔球；将升华硫融于纳米二氧化硅介孔球，形成复合物；此复合物与氧化石墨烯还原，即制得锂硫电池正极材料。将正极材料、导电剂、粘接剂按质量比涂覆到集流体上，得到高性能的锂硫电池正极，将其用于组装的锂硫电池能大幅提升其循环稳定性、倍率性能、及库伦效率；且具有充放电性能好、高负载量、长循环寿命及高比容量的优点；符合电池市场对于长寿命、高比容量电池的需求。

主权项

1.一种用于锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于将升华硫按设计质量比融于纳米二氧化硅介孔球，形成复合物；再将此复合物与氧化石墨烯按设计质量比混合后还原，即得到锂硫电池正极材料；具体包括以下步骤：(1)氧化石墨烯的制备①将9克过硫酸钾与9克五氧化二磷溶于15ml浓硫酸中，加入11克石墨粉；搅拌均匀后于80℃、保温24小时，得到预氧化石墨浆料；②将预氧化石墨浆料抽滤，并用去离子水清洗后，置80℃的烘箱中烘烤24小时，得到预氧化石墨粉料；③将3克硝酸钠加入255ml浓硫酸中，完全溶解后将得到的预氧化石墨粉料全部加入其中；整个体系置于10℃以下的水浴锅中，待整个体系温度稳定在10℃以下后，进行下一步操作；④称取18克高锰酸钾，以0.9克分20次加入到上述体系中；该体系的温度始终保持在10℃以下，添加完毕后密封，该体系温度下保温3小时后转移至55℃水浴锅中，强烈搅拌5小时形成膏状物质；⑤将膏状物质用盐酸溶液离心清洗，再用去离子水离心清洗，得到氧化石墨烯；(2)纳米二氧化硅介孔球的制备①取十六烷基三甲基溴化铵0.1～0.8克放入50ml去离子水中，充分搅拌0.6小时，配制成反应母液；将配制的反应母液置于60℃～110℃的恒温箱中保温10～48小时；②取出反应母液并向其中加入正硅酸乙酯，所加正硅酸乙酯与反应母液的比例为：每1ml正硅酸乙酯加入反应母液为0.08～0.64克，于常温下磁力搅拌1‑10小时，密封后反应10～48小时生成反应物；③将生成的反应物抽滤、清洗至膏状物，将膏状产物分散于50～150ml去离子水中，磁力搅拌2小时，形成纳米二氧化硅介孔球分散液；(3)对纳米二氧化硅介孔球碳包覆以及引入相应官能团①在所述纳米二氧化硅介孔球分散液中加入0.4克碳源，同时根据引入的官能团加入0.01‑0.35克富官能团物质，形成混合液；②按照摩尔比例，在上述混合液中加入过渡金属乙酸盐，混合液与过渡金属乙酸盐的比例为：1:3；然后超声清洗0.2～2.5小时，混合均匀后在60℃～110℃烘箱中烘干，得到富官能团碳包覆纳米二氧化硅介孔球、过渡金属乙酸盐混合物；③将上述混合物置于真空气氛条件下于850℃～1000℃退火处理5～10小时；自然冷却至室温，得到碳包覆的纳米二氧化硅介孔球；(4)锂硫电池正极材料制备①将上述碳包覆的纳米二氧化硅介孔球与升华硫按照质量比1:1～1:6混合均匀后，在150℃～250℃气氛条件下保温2～20小时，得到碳包覆纳米二氧化硅介孔球/硫复合物；②取步骤(1)所制备的氧化石墨烯0.3克和1克碳包覆纳米二氧化硅介孔球/硫复合物分散于80～300ml去离子水中，磁力搅拌器搅拌0.2～2小时得氧化石墨烯混合液；③将所得氧化石墨烯混合液置入60℃～110℃烘箱中，保温1～10小时得混合产物；将混合产物抽滤至膏状，用去离子水清洗，冻干1～15小时后即得到锂硫电池正极材料；将其磨细备用。