一种锂硫电池正极材料及其制备方法技术

技术编号:18353807 阅读:37 留言:0更新日期:2018-07-02 05:30
本发明专利技术涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法,该锂硫电池正极材料是具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料。该锂硫电池正极材料的制备方法,是通过在线还原氧化石墨烯溶胶和硫溶胶混合物形成凝胶,然后冷冻干燥得到具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料;具体是使用氧化石墨烯作为起始原料,制备氧化石墨烯和硫的混合溶胶,室温下在线还原方法制备还原氧化石墨烯凝胶包覆硫纳米颗粒复合材料,通过冷冻干燥除去内部包覆的溶剂,得到还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料。本发明专利技术能够有效防止多硫化物的溶解、抑制穿梭效应,并可增强锂硫电池充放电稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极材料及其制备方法
本专利技术属于新能源
,涉及一种锂硫电池正极材料,具体涉及一种还原氧化石墨烯气凝胶嵌套的锂硫电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
随着新能源技术的飞速发展,特别是随着智能通讯和电动汽车领域的潜在市场需求,发展具有低成本、高能量密度、长寿命和环境友好的电化学储能体系迫在眉睫。以现有的锂离子电池技术,目前商业化的锂离子电池能量很难突破300Wh/kg,不能满足新能源产业对高性能电池的需求。在新的电化学储能体系中,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2600Wh/kg,理论比容量为1675mAh/g,远高于现阶段所使用的锂离子二次电池而受到广泛地关注。此外,单质硫廉价、环境友好的特点又使该体系极具商业价值。尽管如此,还存在许多方面制约着锂硫电池的实际应用:(1)“荷电态”的单质硫与“放电态”的硫化锂都是电子和离子的绝缘体,这会导致电池的内阻偏大,而且极化很严重;(2)在充放电过程中硫易形成溶于电解液的锂多硫化物而使活性物质流失,形成严重地穿梭效应,使得库仑效率很低;(3)由于硫及其电化学反应产物硫化锂的密度不同,在充放电过程中出现的体积变化高达80%,会引起电极应力,破坏结构稳定性,与金属集流体发生脱离,导致循环过程中容量快速衰减、硫利用率低。鉴于硫正极的诸多缺点,国内外学者将研究的重点集中在硫基正极复合材料方向,寄希望于能完全均匀包覆硫纳米颗粒,并具有高效的电子和离子传输通道、强多硫束缚力、载硫量高的复合正极材料。因此,如何设计、制备这种复合正极材料成为亟待解决的技术问题。解决锂硫电池中正极材料体积膨胀率大导致正极结构破坏、多硫化锂溶于电解液引起穿梭效应等实际问题在产业界也刻不容缓。制备锂硫正极材料的现有技术多采用与导电性材料如碳、导电聚合物及导电氧化物(TiO2等)等通过掺杂、复合或包覆等方式制备硫/导电物复合材料,这种制备硫复合材料的方法通常存在以下缺点:(1)这些方法中大部分都是先制备空心、孔状导电性材料,然后硫通过物理升华方法嵌入导电性材料中,这样硫不可能完全被限制在固定的空间中,有些残存的硫还停留在导电性材料外,这部分硫在充放电过程中形成的多硫化物仍然会溶解在电解液中,导致穿梭效应,降低锂硫电池的库仑效率和循环效率;(2)起始制备的空心或孔状材料中空心或孔大小直接影响电子和离子的传递;(3)制备复合电极材料的过程比较繁琐、成本比较高,不易规模化生产。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述
技术介绍
中存在的问题,而提出了一种能够有效防止多硫化物的溶解、抑制穿梭效应,并可增强锂硫电池充放电稳定性,同时能够避免硫原子由于锂化过程中的体积膨胀而破坏电池结构的锂硫电池正极材料及其制备方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的:上述的锂硫电池正极材料,是具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料。上述的锂硫电池正极材料的制备方法,是通过在线还原氧化石墨烯溶胶和硫溶胶混合物形成凝胶,然后冷冻干燥得到具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料;具体是使用氧化石墨烯作为起始原料,制备氧化石墨烯和硫的混合溶胶,室温下在线还原方法制备还原氧化石墨烯凝胶包覆硫纳米颗粒复合材料,通过冷冻干燥除去内部包覆的溶剂,得到还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料。上述的锂硫电池正极材料的制备方法,具体步骤如下:(1)以石墨为原材料,氧化剥离石墨制备成纯净的氧化石墨烯薄片;(2)制备硫溶胶,然后将上述步骤(1)制备的氧化石墨烯薄片分散在硫溶胶中形成氧化石墨烯硫混合溶胶;(3)注入还原剂到上述步骤(2)中的氧化石墨烯硫混合溶胶中,以将混合溶胶中的氧化石墨烯被部分还原形成还原氧化石墨烯凝胶,其他的溶剂及硫溶胶被包覆在还原氧化石墨烯凝胶中;(4)将上述步骤(3)制备的还原氧化石墨烯凝胶冷冻干燥,除去内部包含的溶剂水,形成还原氧化石墨烯气凝胶,使硫溶胶中的硫纳米颗粒嵌套在该还原氧化石墨烯气凝胶中。所述锂硫电池正极材料的制备方法,其中:所述步骤(1)采用Hummer技术通过氧化剥离石墨制备纯净的氧化石墨烯薄片。所述锂硫电池正极材料的制备方法,其中:所述步骤(2)采用胶溶法制备硫溶胶即将升华硫溶解在乙醇溶剂中,形成溶液a;然后将上述步骤(1)制备的氧化石墨烯薄片以0.1-2.5mg/mL的浓度分散在蒸馏水中,记为溶液b;再将溶液a在搅拌的条件下滴加到溶液b中形成氧化石墨烯硫混合溶胶。所述锂硫电池正极材料的制备方法,其中:所述步骤(3)中的还原剂是水合肼、氨水或者乙二胺。所述锂硫电池正极材料的制备方法,其中:所述步骤(3)中的还原剂是用注射器注入到氧化石墨烯硫混合溶胶中。所述锂硫电池正极材料的制备方法,其中:所述还原剂的注入量为0.5-1.51ul/ml。有益效果:本专利技术锂硫电池正极材料及其制备方法,是使用具有优异导电性的氧化石墨烯作为起始原料,制备氧化石墨烯和硫的混合溶胶,室温下在线还原方法制备还原氧化石墨烯凝胶包覆硫纳米颗粒复合材料,通过冷冻干燥出去内部包覆的溶剂,得到还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料;本专利技术的制备方法步骤比较简单,硫完全均匀地分散在导电性材料还原氧化石墨烯中;还原氧化石墨烯气凝胶上具有很多羧基、羟基等官能基团,这些基团与单质硫或多硫锂化物具有很强的相互作用,使得形成的多硫化物不易溶解到电解液中,这是导致锂硫电池穿梭效应的主要原因;还原氧化石墨烯气凝胶具有三维网络结构,一方面能够提高载硫量,更重要的是能缓冲由于硫在充放电过程中体积膨胀,另一方面电解液能直接清润到这种三维空间网络结构中,减少了电子和离子的传导路径,加快了扩散速度。附图说明图1为本专利技术实施例1的锂硫电池正极材料制备方法制备的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料的表征图;图2为本专利技术实施例1的锂硫电池正极材料制备方法制备的纳米颗粒复合材料的性能表征图。注:图1中图A是制备样品的照片;图1中图B是制备样品的透射电子显微镜(TEM)图片,图中明显显示了还原氧化石墨烯层状结构;图1中图C是制备样品的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图片,图中明显显示了许多纳米硫颗粒嵌套在其中;图1中图D-F是高分辨率透射电子显微镜结合X-射线电子能谱(EDS)及元素面分析技术(EDS-mapping)显示的C,S,O的空间分布及含量分析,结果显示S含量为30wt%.)。具体实施方式本专利技术锂硫电池正极材料,是具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料;该气凝胶是一种固体物质形态,当凝胶脱去大部分液体溶剂后,气体就充满在凝胶的空间网状结构中,外观呈固体状;这种纳米多孔三维网络结构材料具有极高孔洞率、高比表面、极低的密度;作为一种高科技新材料应用于激光、储能、隔热等方面。该锂硫电池正极材料的制备方法,是通过在线还原氧化石墨烯溶胶和硫溶胶混合物形成凝胶,然后冷冻干燥得到具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料;具体是使用氧化石墨烯作为起始原料,制备氧化石墨烯和硫的混合溶胶,室温下在线还原方法制备还原氧化石墨烯凝胶包覆硫纳米颗粒复合材料,通过冷冻干燥除去内部包覆的溶剂,得到还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料;其中,氧化石墨烯是石墨粉末经化学氧化和本文档来自技高网
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一种锂硫电池正极材料及其制备方法

【技术保护点】
1.一种锂硫电池正极材料,是具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料,是具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料。2.一种如权利要求1所述的锂硫电池正极材料的制备方法,是通过在线还原氧化石墨烯溶胶和硫溶胶混合物形成凝胶,然后冷冻干燥得到具有三维网状结构的还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料;具体是使用氧化石墨烯作为起始原料,制备氧化石墨烯和硫的混合溶胶,室温下在线还原方法制备还原氧化石墨烯凝胶包覆硫纳米颗粒复合材料,通过冷冻干燥除去内部包覆的溶剂,得到还原氧化石墨烯气凝胶嵌套硫纳米颗粒复合材料。3.如权利要求2所述的锂硫电池正极材料的制备方法,其具体步骤如下:(1)以石墨为原材料,氧化剥离石墨制备成纯净的氧化石墨烯薄片;(2)制备硫溶胶,然后将上述步骤(1)制备的氧化石墨烯薄片分散在硫溶胶中形成氧化石墨烯硫混合溶胶;(3)注入还原剂到上述步骤(2)中的氧化石墨烯硫混合溶胶中,以将混合溶胶中的氧化石墨烯被部分还原形成还原氧化石墨烯凝胶,其他的溶剂及硫溶胶被包覆在还原氧化石墨烯凝胶中;(4)将上述步骤(3)制备的还原氧化石...

【专利技术属性】
技术研发人员:王又容程四清关洪清曹相平王海林胡祖兵
申请(专利权)人:襄阳华虹高科新材料有限公司
类型:发明
国别省市:湖北,42

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