石墨烯基硫复合正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯基硫复合正极材料及其制备方法，通过高温热处理、扩层、超声制备了石墨烯，后与硫液相混合再蒸发方法制备石墨烯基硫复合正极材料，使得硫均匀地分散吸附在石墨烯纳米片或纳米带上，有效地抑制了硫活性物质脱嵌锂过程中的体积膨胀和硫活性物质在电解液中的溶解现象，极大地提高了电子电导率，改善了电性能。

Graphene based sulfur composite cathode material and its preparation method

The invention discloses a graphene based sulfur composite cathode material and preparation method thereof, by high temperature heat treatment, expansion layer, ultrasonic preparation of graphene, mixed RE evaporation method for preparing graphene based sulfur composite cathode materials with liquid sulfur, the sulfur adsorption evenly dispersed on graphene nanosheets or nanobelts, effectively suppress the phenomenon of dissolved matter sulfur active material of lithium intercalation in the process of volume expansion and sulfur activity in the electrolyte, greatly improve the electronic conductivity, improve the electrical performance.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯基硫复合正极材料及其制备方法
本专利技术涉及锂离子二次电池电极材料制备领域，特别是涉及一种石墨烯基硫复合正极材料及其制备方法。
技术介绍
随着锂电材料的进一步发展，常用正极材料如钴酸锂、磷酸铁锂、三元、锰酸锂材料已不能满足人们对高能量密度和长循环寿命的要求。为了进一步提升材料的能量密度，锂空气电池、钠空气电池、锂硫二次电池等高能量密度电池体系研发正在进行中。锂硫二次电池因比容量高、资源丰富、成本低廉且对环境友好而受到研究者的青睐，但锂硫二次电池也存在一些问题：(1)通常单质硫是电子和离子的绝缘体，需要添加大量的导电剂，以致降低了活性物质的利用率；(2)再者，脱嵌锂过程中硫的体积膨胀可以高达80％；(3)而且，锂硫电池放电过程中，生成的多硫化锂易溶解于电解液中，放电后的最终产物硫化锂又容易生成较大的晶体，失去电化学活性，造成电池比容量下降，循环性能变差。为了解决硫以上存在的问题点，研究人员尝试将硫与其他导电材料复合在一起，最常用的材料就是碳材料，将乙炔黑、高分子导电聚合物、碳纳米管、中孔碳材料、石墨烯等与单质硫复合，主要利用导电材料的导电性、吸附作用及容纳硫体积膨胀的作用。其中石墨烯是目前最具前景的碳材料。区别于其他碳材料(石墨、富勒烯、碳纳米管)，石墨烯由于具有独特的高导电性、高热导性、大比表面积、大杨氏模量等性质而被尝试应用于各类电化学储能领域[Naturematerials14(2015)271]，如作为锂离子电池的负极材料、复合负极材料、钠离子电池的负极材料、超级电容器、锂硫电池、锂空气电池、钠空气电池。石墨烯由于制备方法不同[Naturenanotechnology4(2009)217]品质差异不同，分高、中、低档品质，产率差异大，规模化生产的可行性也不同。利用高温热处理、扩层、超声制备的石墨烯与硫复合形成的石墨烯基硫复合正极材料以期可以解决锂硫二次电池存在的一些问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种通过高温热处理、扩层、超声制备石墨烯，后与硫液相混合再蒸发制备石墨烯基硫复合正极材料及其制备方法，此方法使得硫均匀地分散吸附在石墨烯纳米片或纳米带上，有效地抑制了硫活性物质脱嵌锂过程中的体积膨胀和硫活性物质在电解液中的溶解现象，极大地提高了电子电导率，改善了电性能。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将330～370μm初级商用膨胀石墨I在通入体积比浓度为3％的氢氩混合气中快速升温至1000℃～1050℃，保温1分钟，得到膨胀石墨II；(2)将膨胀石墨II用发烟硫酸室温下处理24小时后水洗过滤去除多余的硫酸得到膨胀石墨III；(3)将膨胀石墨III放入含有扩层剂的有机溶剂I中超声5～10分钟，后室温静置2～3天使扩层剂充分地进入膨胀石墨III层间，进一步扩层得到膨胀石墨IV悬浮液；(4)将表面活性剂加入膨胀石墨IV悬浮液中并超声0.5～1小时形成均一悬浮液，后离心取上清液得到石墨烯悬浮液；(5)将单质硫粉末加入有机溶剂I中搅拌形成硫溶液或悬浮液I；(6)将硫溶液或悬浮液I加入石墨烯悬浮液经搅拌混合、超声分散、蒸发溶剂、煅烧得到石墨烯基硫复合正极材料。所述步骤(2)中膨胀石墨II：发烟硫酸以重量比计为1：10～1：4。所述步骤(3)膨胀石墨III：有机溶剂I：扩层剂以重量比计为1：(1～2)：(0.1～0.2)。所述步骤(3)中有机溶剂I是二氯乙烷、四氯化碳和N,N-二甲基甲酰胺中的两种或三种混溶物。所述步骤(3)中扩层剂为四丁基胺氢氧化物。所述步骤(4)中膨胀石墨IV悬浮液：表面活性剂以重量比计为1：(2～5)；表面活性剂是有机聚合物大分子，聚[(间苯乙炔)-共-(2,5-二辛氧基对苯乙炔)]，或1,2二硬脂酸酯基-3磷脂乙醇基-甲氧基聚乙二醇。所述步骤(5)单质硫粉末：有机溶剂I以重量比计为10％～50％。所述步骤(6)中硫溶液或悬浮液I：石墨烯悬浮液以重量比计为(1～3)：1。所述步骤(6)中搅拌混合30分钟、超声分散5～20分钟；蒸发溶剂温度为100～180℃，蒸发1～5小时、煅烧温度为300～500℃，煅烧时间为5～8小时，煅烧过程使用惰性气氛氮气或氩气。上述制备方法制得的石墨烯基硫复合正极材料。本专利技术的有益效果：通过液相混合再蒸发方法制备的石墨烯基硫复合正极材料使得硫均匀地分散吸附在石墨烯纳米片或纳米带上，石墨烯作为支架基质有效地容纳了硫脱嵌锂过程中的体积膨胀，石墨烯大比表面积产生的吸附作用缓解了硫活性物质在电解液中的溶解，石墨烯高导电性极大地提高了复合材料的电子电导率，从而改善了电性能。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的制备方法进行详细说明。实施例1一种石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将350μm初级商用膨胀石墨I(型号：Grafguard160-50N，厂家：Graftech公司)在通入体积比浓度3％的氢氩混合气中快速升温至1000℃，保温1分钟，得到膨胀石墨II。(2)将2g膨胀石墨II用20g发烟硫酸室温下处理24小时后水洗过滤去除多余的硫酸得到膨胀石墨III。(3)先后将1g四丁基胺氢氧化物、10g膨胀石墨III加入10g二氯乙烷中，超声5分钟，后室温静置3天使四丁基胺氢氧化物充分地进入膨胀石墨III层间，进一步扩层得到膨胀石墨IV悬浮液。(4)将63gPmPV加入21g膨胀石墨IV悬浮液中并超声0.5小时形成均一悬浮液，后离心取上清液得到石墨烯悬浮液。(5)将1g单质硫粉末加入10g二氯乙烷中搅拌形成硫溶液I。(6)将11g硫溶液I加入11g石墨烯悬浮液经搅拌混合30分钟，超声分散5分钟，120℃蒸发二氯乙烷3小时，惰性氮气气氛400℃煅烧6小时得到石墨烯基硫复合正极材料。实施例2一种石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将330μm初级商用膨胀石墨I在通入体积比浓度3％的氢氩混合气中快速升温至1020℃，保温1分钟，得到膨胀石墨II。(2)将4g膨胀石墨II用20g发烟硫酸室温下处理24小时后水洗过滤去除多余的硫酸得到膨胀石墨III。(3)先后将1g四丁基胺氢氧化物、10g膨胀石墨III加入20gN,N-二甲基甲酰胺中，超声8分钟，后室温静置2天使四丁基胺氢氧化物充分地进入膨胀石墨III层间，进一步扩层得到膨胀石墨IV悬浮液。(4)将62gDSPE-mPEG加入31g膨胀石墨IV悬浮液中并超声1小时形成均一悬浮液，后离心取上清液得到石墨烯悬浮液。(5)将2g单质硫粉末加入10gN,N-二甲基甲酰胺中搅拌成硫悬浮液I。(6)将12g硫悬浮液I加入6g石墨烯悬浮液经搅拌混合30分钟，超声分散10分钟，180℃蒸发N,N-二甲基甲酰胺5小时，惰性氩气气氛500℃煅烧8小时得到石墨烯基硫复合正极材料。实施例3一种石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将370μm初级商用膨胀石墨I在通入体积比浓度3％的氢氩混合气中快速升温至1040℃，保温1分钟，得到膨胀石墨II。(2)将5g膨胀石墨II用20g发烟硫酸室温下处理24小时后水洗过滤去除多余的硫酸得到膨胀石墨III。(3)先后将2g四丁基胺氢氧化物、10g膨胀石墨III加入20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将330～370μm初级商用膨胀石墨I在通入体积比浓度为3％的氢氩混合气中快速升温至1000℃～1050℃，保温1分钟，得到膨胀石墨II；(2)将膨胀石墨II用发烟硫酸室温下处理24小时后水洗过滤去除多余的硫酸得到膨胀石墨III；(3)将膨胀石墨III放入含有扩层剂的有机溶剂I中超声5～10分钟，后室温静置2～3天使扩层剂充分地进入膨胀石墨III层间，进一步扩层得到膨胀石墨IV悬浮液；(4)将表面活性剂加入膨胀石墨IV悬浮液中并超声0.5～1小时形成均一悬浮液，后离心取上清液得到石墨烯悬浮液；(5)将单质硫粉末加入有机溶剂I中搅拌形成硫溶液或悬浮液I；(6)将硫溶液或悬浮液I加入石墨烯悬浮液经搅拌混合、超声分散、蒸发溶剂、煅烧得到石墨烯基硫复合正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将330～370μm初级商用膨胀石墨I在通入体积比浓度为3％的氢氩混合气中快速升温至1000℃～1050℃，保温1分钟，得到膨胀石墨II；(2)将膨胀石墨II用发烟硫酸室温下处理24小时后水洗过滤去除多余的硫酸得到膨胀石墨III；(3)将膨胀石墨III放入含有扩层剂的有机溶剂I中超声5～10分钟，后室温静置2～3天使扩层剂充分地进入膨胀石墨III层间，进一步扩层得到膨胀石墨IV悬浮液；(4)将表面活性剂加入膨胀石墨IV悬浮液中并超声0.5～1小时形成均一悬浮液，后离心取上清液得到石墨烯悬浮液；(5)将单质硫粉末加入有机溶剂I中搅拌形成硫溶液或悬浮液I；(6)将硫溶液或悬浮液I加入石墨烯悬浮液经搅拌混合、超声分散、蒸发溶剂、煅烧得到石墨烯基硫复合正极材料。2.根据权利要求1所述石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中膨胀石墨II：发烟硫酸以重量比计为1：10～1：4。3.根据权利要求1所述石墨烯基硫复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)膨胀石墨III：有机溶剂I：扩层剂以重量比计为1：(1～2)：(0.1～0.2)。4.根据权利要求1或3所述石墨烯基硫复合正极材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳佳，徐宁，杨晓亮，吴孟涛，
申请(专利权)人：天津巴莫科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12