一种氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法，将硫脲、甲醛溶液和氧化石墨烯混合后，先在60～100℃下自组装6～24小时后，再于600～1000℃下热处理1～6小时，得到氮硫共掺杂石墨烯。本发明专利技术制备的得石墨烯呈随机取向的片状形态，基本不团聚使该用N,S‑石墨烯作为Li‑S电池导电剂和吸附剂，具有优良的循环稳定性能。本发明专利技术的N,S‑石墨烯制备工艺简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法
本专利技术涉及一种低成本的Li-S电池导电剂和吸附剂的氮硫共掺杂石墨烯及其制备方法，属于新材料合成领域。
技术介绍
化石燃料的日益枯竭及其燃烧所带来的日益严重的环境问题，是困扰人类社会可持续发展的两大难题。因此新型清洁能源的开发迫在眉睫，其中电化学储能体系被人们寄予厚望。人们对电化学储能体系也提出了越来越高的要求。特别在电动汽车或混合动力汽车领域，为了提高车辆的续航里程、增强汽车动力，所配备的动力驱动单元就要具有更高的比能量和更佳的循环寿命。在可用的动力提供单元中，二次锂离子电池代表着目前最先进的技术水平，目前被广泛用于电动汽车领域。然而，锂离子电池受正极材料自身结构及储能机制所限，实际的比容量均低于300mAhg-1，能量密度少于500WhKg-1，无法满足电动汽车的长远发展要求。因此，开发更高比容量的锂离子电池正极材料及探索新型的高能量密度的电池体系如锂硫电池，具有非常重要的战略和现实意义[1-3]。锂硫电池是一种很有前途的能源存储系统，它由于高的能量密度而受到人们的广泛注意。锂硫电池基于转换反应，因此具有高的理论比能量(2600WhKg-1)，为锂离子电池理论比能量(500WhKg-1)的5倍，是新一代具有广阔前景的高容量电池体系[4]。此外，它的正极材料硫具有储量丰富、无毒、价格低廉及环境友好等优点，这使锂硫电池成为一个特别有吸引力的和低成本的能量储存技术。但目前存在有几个问题阻碍锂硫电池的应用[5]：1)单质硫S8以及其放电产物硫化锂Li2S的导电性较差；2)放电中间产物多硫化锂在电解液中的溶解，导致穿梭效应；3)硫转化为硫化物产生严重的体积膨胀；4)非均相固体电解质膜SEI的产生；5)锂枝晶的形成。目前要想实现锂硫电池的应用，硫的低的导电性问题及穿梭效应亟需解决，对于这个问题，一般需要对正极材料进行结构设计及改性[6-8]。石墨烯是碳的单分子层化合物，其独特的结构和特性引起了人们极大的兴趣。现在采用石墨烯作为硫载体材料被广泛的应用，但是由于弱的碳-硫键或者碳-多硫化锂键，所以它不能够很好地吸附多硫化锂，因此不能够阻止多硫化锂的穿梭。研究者发现，杂原子掺杂的石墨烯，特别是氮掺杂或者氮硫掺杂的石墨烯可以较好地吸附多硫化锂，有效地抑制多硫化锂的穿梭[9-12]。氮硫掺杂的石墨烯的优点是能提供大量的活性基团，提高电池的循环性能稳定和高倍率性能。然而现在文献已报道的合成氮硫掺杂的石墨烯的方法存在的问题包括以下两个方面：(1)合成的氮硫掺杂的石墨烯材料团聚严重；(2)合成的氮硫掺杂的石墨烯材料中活性位点较少，且价格不和合理。参考文献:[1]LiangY,JiL,GuoB,LinZ,YaoY,LiY,etal.Preparationandelectrochemicalcharacterizationofionic-conductinglithiumlanthanumtitanateoxide/polyacrylonitrilesubmicroncompositefiber-basedlithium-ionbatteryseparators.JPowerSources,2011,196(1):436-44I.[2]LiuH,WangY,WangK,WangY,ZhouH.Synthesisandelectrochemicalpropertiesofsingle-crystallineLiV3O8nanorodsascathodematerialsforrechargeablelithiumbatteries.JPowerSources,2009,192(2):668-673.[3]YaakovD,GoferY,AurbachD,HalalayIC.Onthestudyofelectrolytesolutionsforli-ionbatteriesthatcanworkoverawidetemperaturerange.JElectrochemSoc.,2010,157(12):A1383-A1391.[4]YamadaI,MukaiSR.Theeffectofporousstructureontheliinsertion/extractionbehaviorofcarbongelmicrospheresencasingsiliconpowder.Electrochemistry,2010,78(5):393-396.[5]LeiTY,ChenW,HuangJW,YanCY,SunHX,WangC,ZhangWL,LiYR,XiongJ,Multi-FunctionalLayeredWS2NanosheetsforEnhancingthePerformanceofLithium–SulfurBatteries.Adv.EnergyMater.,2016,1601843.[6]ZhangJT,HuH,LiZ,(David)LouXW,Double-ShelledNanocageswithCobaltHydroxideInnerShellandLayeredDoubleHydroxidesOuterShellasHigh-EfficiencyPolysulfideMediatorforLithium–SulfurBatteries.Angew.Chem.Int.Ed.,2016,55:3982-3986.[7]XuDW,XinS,YouY,LiYT,CongHP,YuSH,Built-inCarbonNanotubeNetworkinsideaBiomass-DerivedHierarchicallyPorousCarbontoEnhancethePerformanceoftheSulfurCathodeinaLi-SBattery.ChemNanoMat.,2016,2:712-718.[8]SuDW,CortieM,WangGX,FabricationofN-dopedGraphene–CarbonNanotubeHybridsfromPrussianBlueforLithium–SulfurBatteries.Adv.EnergyMater.,2017,1602014.[9]LiHF,YangXW,WangXM,LiuMN,YeFM,WangJ,QiuYC,LiWF,ZhangYG,Denseintegrationofgrapheneandsulfurthroughthesoftapproachforcompactlithium/sulfurbatterycathode.NanoEnergy,2015,12:468-475.[10]GuangminZhou,EunsuPaek,GyeongS.Hwang,ArumugamManthiram,Long-lifeLi/polysulphidebatterieswithhighsulphurloadingenabledbylightweightthree-dimensionalnitrogen/sulphur-codopedgraphenesponge.NatureComm.,2015,6:7760-7761.[1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮硫共掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，将硫脲、甲醛溶液和氧化石墨烯混合后，先在60～100℃下自组装6～24小时后，再于600～1000℃下热处理1～6小时，得到氮硫共掺杂石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于，将硫脲、甲醛溶液和氧化石墨烯混合后，先在60～100℃下自组装6～24小时后，再于600～1000℃下热处理1～6小时，得到氮硫共掺杂石墨烯。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硫脲和氧化石墨烯的质量比为（5～100）：1。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述硫脲和甲醛的摩尔比为（1～10）：1。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为800℃。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭向欣，谭迎宾，崔忠慧，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31