一种锂硫电池正极基体材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种锂硫电池正极基体材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：将钼源、氧化石墨烯和硫源进行混合，固相热处理，得到所述锂硫电池正极基体材料。本发明专利技术通过固相热处理过程，在氧化石墨烯表面原位得到二硫化钼的同时，氧化石墨烯转化为还原氧化石墨烯(rGO)，提供了稳定的三维框架，同时赋予了正极基体材料高的比表面积和丰富的反应位点，还原氧化石墨烯和二硫化钼相互协同，不仅可以增强材料的导电性，还可以增强材料整体的结构稳定性，将正极基体材料进一步与硫粉复合后，提升了正极材料的放电比容量及循环稳定性，且制备方法简单可行，适用于大规模生产。适用于大规模生产。适用于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极基体材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂硫电池
，涉及一种锂硫电池正极基体材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近几十年来,，以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展。金属锂的电化学容量虽然高达3860mAh/g，但大部分锂离子电池正极材料的电化学容量只有200mAh/g左右，锂离子电池的发展极大地受到了其正极材料的制约。与锂离子电池不同,近年来，硫作为正极和锂作为负极的锂硫电池，以其超高的理论比容量(1675mAh/g)和理论比能量(2600Wh/kg)而受到越来越多的关注。
[0003]单质硫是一种非常具有应用前景的正极材料，在目前已知的二次锂电池正极材料中具有最高的理论比容量(锂氧电池除外)，并且硫的储存量丰富、价格低廉、无毒并且环境友好。此外，相比于工作电压为3.5
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4V的过渡金属氧化物正极材料，其较低的工作电压(～2.1V)更为安全。尽管如此，目前仍有一些问题严重制约着硫正极的实用化进程，例如，硫的绝缘性、中间产物多硫化物在有机电解液中的溶解而导致的活性物质流失，以及放电过程中硫的体积膨胀和充电过程中硫的体积收缩对电极材料造成的破坏。
[0004]现有技术中提高锂硫电池性能的方案主要有硫基正极结构的优化与硫基正极材料的改性，通常通过填充、混合或包覆的方法将单质硫和具有高的孔结构的多孔材料进行机械复合，形成正极复合材料，该多孔碳硫正极材料是由纳米硫和多孔碳纤维组成，其中硫负载到多孔碳纤维的孔隙当中，多孔碳纤维具有优异的导电性和化学稳定性，多孔结构提供大量离子道，能够弥补单质硫导电性差的缺点并能起到固硫作用，改善多硫化物在反应过程中的穿梭效应，这样就提高了正极活性物质的利用率，从而改善硫基正极的锂离子电导率和电池的循环性能，进而提高锂硫电池的电化学性能。
[0005]如CN104752702A公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法，其是生成金属氧化物纳米管，煅烧后和硫复合制成。CN105489863A公开了一种基于C/TiO复合纳米纤维的锂硫电池正极材料，制备出C/TiO复合纳米纤维，再将纤维与单质硫混合经过热处理得到所述正极材料。但是上述技术普遍存在的缺点是：制备工艺相对复杂，从而导致其生产成本高，影响其在锂硫电池中的广泛应用；而且制备出的正极材料表面积小、难控制其微观形貌，在充放电过程中仍然存在体积膨胀现象，从而限制了其电化学性能。
[0006]因此，如何提升锂硫电池正极材料的电化学性能，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种锂硫电池正极基体材料及其制备方法和应用。本专利技术通过固相热处理过程，在氧化石墨烯表面原位得到二硫化钼的同时，氧化石墨烯转化为还原氧化石墨烯(rGO)，提供了稳定的三维框架，同时赋予了正极基体材料高的比表面积和丰富的反应位点，还原氧化石墨烯和二硫化钼相互协同，不仅可以增强材料的导电性，还可以
增强材料整体的结构稳定性，将正极基体材料进一步与硫粉复合后，提升了正极材料的放电比容量及循环稳定性，且制备方法简单可行，适用于大规模生产。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种锂硫电池正极基体材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010]将钼源、氧化石墨烯和硫源进行混合，固相热处理，得到所述锂硫电池正极基体材料。
[0011]本专利技术通过固相热处理过程，在氧化石墨烯表面原位得到二硫化钼的同时，氧化石墨烯转化为还原氧化石墨烯(rGO)，柔性材料转换为刚性材料，提供了稳定的三维框架，同时赋予了正极基体材料高的比表面积和丰富的反应位点，石墨烯和二硫化钼相互协同，实现更好的中间可溶多硫化物的固定和催化转化，同时复合物中rGO，不仅可以增强材料的导电性，还可以增强材料整体的结构稳定性，将正极基体材料进一步与硫粉复合后，提升了正极材料的放电比容量及循环稳定性，且制备方法简单可行，适用于大规模生产。
[0012]本专利技术中，如果不采用固相热处理的方式，而采用水热反应的方式进行正极基体材料的制备，则会出现生长不充分、分散性差以及设备要求过高的问题。
[0013]优选地，所述钼源和氧化石墨烯的质量比为1:(10～100)，例如1:10、1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40、1:45、1:50、1:55、1:60、1:65、1:70、1:75、1:80、1:85、1:90、1:95或1:100等。
[0014]本专利技术中，钼源与氧化石墨烯的质量比过大，氧化石墨烯含量减少，影响复合材料导电性；质量比过小，钼源含量减少，影响复合材料结构稳定性，过大或过小均会影响材料的电性能。
[0015]优选地，所述钼源和氧化石墨烯的总质量与硫源的质量之比为(5～20):1，例如5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、11:1、12:1、13:1、14:1、15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1等。
[0016]优选地，所述混合的过程包括：
[0017]先将钼源与氧化石墨烯进行球磨，得到混合物料，然后在混合物料中加入硫源进行再次混合。
[0018]本专利技术中，钼源与氧化石墨烯经过球磨处理，为了将纳米钼粉和氧化石墨烯(GO)混合均匀，形成分散均匀的前驱体钼/石墨烯粉末(Mo/GO)。
[0019]优选地，所述钼源包括钼粉。
[0020]优选地，所述硫源包括硫粉。
[0021]优选地，所述球磨的方法包括高能球磨。
[0022]本专利技术中，采用高能球磨的方法将钼源和氧化石墨烯进行混合，钼粉在高能球磨中会被氧化石墨烯固定在纳米片中，形成锚定于氧化石墨烯层间的纳米结构，有利解决后期的纳米颗粒团聚问题。
[0023]优选地，所述球磨的转速为600～1000r/min，例如600r/min、650r/min、700r/min、750r/min、800r/min、850r/min、900r/min、950r/min或1000r/min等。
[0024]本专利技术中，球磨的转速过慢，不利于钼源和氧化石墨烯混合；球磨转速过快，对设备要求高，如产热、磨损等。
[0025]优选地，所述球磨的时间为4～8h，例如4h、5h、6h、7h或8h等。
[0026]优选地，所述球磨在保护性气氛下进行。
[0027]优选地，所述固相热处理在保护性气氛下进行。
[0028]优选地，所述固相热处理的温度为550～850℃，例如550℃、580℃、600℃、630℃、650℃、680℃、700℃、730℃、750℃、780℃、800℃、830℃或850℃等。
[0029]本专利技术中，固相热处理的温度过低，钼粉不能与硫发生反应；温度过高，对设备要求高、存在加速反应过程，影响硫化钼结构。
[0030]优选地，所述固相热处理的时间为3～6h，例如3h、4h、5h或6h等。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极基体材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将钼源、氧化石墨烯和硫源进行混合，固相热处理，得到所述锂硫电池正极基体材料。2.根据权利要求1所述的锂硫电池正极基体材料的制备方法，其特征在于，所述钼源和氧化石墨烯的质量比为1:(10～100)；优选地，所述钼源和氧化石墨烯的总质量与硫源的质量之比为(5～20):1。3.根据权利要求1或2所述的锂硫电池正极基体材料的制备方法，其特征在于，所述混合的过程包括：先将钼源与氧化石墨烯进行球磨，得到混合物料，然后在混合物料中加入硫源进行再次混合；优选地，所述钼源包括钼粉；优选地，所述硫源包括硫粉。4.根据权利要求3所述的锂硫电池正极基体材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的方法包括高能球磨。5.根据权利要求3或4所述的锂硫电池正极基体材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为600～1000r/min；优选地，所述球磨的时间为4～8h；优选地，所述球磨在保护性气氛下进行。6.根据权利要求1
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5任一项所述的锂硫电池正极基体材料的制备方法，其特征在于，所述固相热处理在保护性气氛下进行；优选地，所述固相热处理的温度为550～850℃；优选地，所述固...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴义，张蒙，刘微，侯敏，曹辉，
申请(专利权)人：瑞浦兰钧能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：