[发明专利]锂离子二次电池正极材料、其制备方法及锂离子二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池技术领域，尤其涉及锂离子二次电池正极材料、其制备方法及锂离子二次电池。

背景技术

当前通讯、便携式电子设备、电动汽车和空间技术等领域的迅猛发展，对电池的性能提出了越来越高的要求，发展具有高比能量、低成本和环境友好的新型锂离子二次电池具有非常重要的意义。

在锂离子二次电池体系中，正极材料的性能一直是制约电池发展的瓶颈。传统的过渡金属氧化物基正极材料如LiCoO₂、LiNiO₂，LiMn₂O₄等由于其理论储锂容量的限制，使得以其为锂离子二次电池的正极材料难以使锂电池在能量密度上取得突破性进展。为了提高锂离子二次电池的性能，现有技术发展了锂硫电池，其属于二次锂电池体系，由单质硫（理论比容量为1675mAh/g）、金属锂（理论比容量为3860mAh/g）和有机电解液组成，具有比能量高（理论值为2600Wh/kg）、成本低、对环境友好的特点，可满足市场对化学电源轻量化、小型化、低成本和无毒的要求。但是锂硫电池存在以下3个问题：（1）单质硫在室温不导电，因此锂硫电池活性物质利用率很低并且电化学性能不佳；（2）锂硫电池充放电过程产生的多硫化锂易溶于有机电解液，使电极的活性物质逐渐减少，导致电池的容量逐步衰减，循环性能变差；（3）在循环过程中，锂硫电池中硫电极的体积形变高达22%，可能使硫电极内部产生微裂纹，这种微裂纹的存在破坏了电极的整体性，最终加剧锂硫电池的容量衰减。

为了克服锂硫电池存在的上述缺点，现有技术公开多种采用多孔碳或介孔碳对硫正极材料的改进方法。如如Ji等采用有序介孔碳CMK-3（孔间距6.5nm，孔径3-4nm）作为导电相，将加热熔化的硫渗入介孔中，得到含硫量为70wt%的CMK-3/S复合材料，复合材料20次可逆循环比容量为800mAh/g（Ji X L,Lee K T,Nazar L F.Nature Mater.,2009,8:500~506.）；Lai等用加热的方法将硫与一种高比表面积的多孔碳复合得到S/HPC复合物，由于多孔碳具有高的比表面积，硫能与之充分接触，为电化学过程提供了必要的电子传输途径。多孔碳的比表面积越大，与硫接触面越多，对提高电池的性能越有利（Lai C,Gao X P，Zhang B,Yan T T，Zhou Z.J..Phys.Chem.C,2009,113:4712~4716.）；Liang等采用具有两级孔径的介孔碳作为导电相，这种介孔碳具有7.3nm和2nm的两种尺寸的孔。当导电相中存在两种尺寸的孔时，其中的微小孔作为硫的存储空间，而大孔则作为溶于电解液的多硫化物的储存器，这样的结构有利于将多硫化物限制在硫正极内部而不会扩散出电极，从而不会造成活性物质的损失和对负极的腐蚀，可明显提高硫电极的循环稳定性，含硫量为11.7wt%的复合材料经过50次循环后可逆比容量为780mAh/g。但这种介孔碳或多孔碳材料得到的正极材料制备的锂硫电池的循环性能较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子二次电池正极材料、其制备方法及锂离子二次电池，本发明提供的锂离子二次电池正极材料同时具有较好的电化学性能、较高的容量和较高的循环性能。

本发明提供了一种锂离子二次电池正极材料，包括石墨烯；

负载于所述石墨烯表面的纳米硫颗粒。

优选的，所述石墨烯与纳米硫颗粒的质量比为1:（1~5）。

优选的，所述石墨烯的直径为1μm~50μm。

优选的，所述纳米硫颗粒的大小为5nm~100nm。

本发明提供了一种锂离子二次电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

将氧化石墨烯水溶液、表面活性剂、还原剂和纳米硫粉混合均匀，或将石墨烯水溶液、表面活性剂和纳米硫粉混合均匀，得到混合溶液；

将所述混合溶液进行水热反应，得到锂离子二次电池正极材料。

优选的，所述氧化石墨烯或石墨烯水溶液的质量浓度为1g/L~50g/L。

优选的，所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。

优选的，所述氧化石墨烯、表面活性剂、还原剂和纳米硫粉的质量比为1:（0.001~0.005）:（0.50~2）:（1~3）；

所述石墨烯、表面活性剂和纳米硫粉的质量比为1:（0.001~0.005）:（1~5）。

优选的，所述水热反应的温度为100℃~200℃；

所述水热反应的时间为6h~24h。