[发明专利]三维石墨烯‑空心碳球纳米复合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米碳材料及其制备领域，尤其涉及一种三维石墨烯-空心碳球纳米复合物及其制备方法。

背景技术

具有高能量密度和低成本的二次电池在可便携式电子设备、电动汽车和智能电网中具有广阔的应用前景。锂硫电池具有高的理论比容量（1672mAh/g）和能量密度（2600Wh/kg），是普通锂离子电池的好几倍。此外硫单质资源丰富、价格便宜、对环境友好。这些显著的优点使得锂硫电池被视为最有发展前景的下一代电动汽车的动力电源之一。

目前制约锂硫电池实际应用的主要有以下问题：（1）硫单质的导电性差（室温下仅5×10^-30S/cm），需要掺入大量导电剂，严重降低硫的利用率和电池的倍率性能；（2）放电过程的长链聚硫锂（Li₂S_x，x=3～8）在电解液中溶解，并在正负极之间来回“穿梭”，导致库伦效率和可逆容量较低；（3）放电过程的短链聚硫锂（Li₂S、Li₂S₂）在正极材料表面形成不溶性沉积，导致电化学活性降低，循环性能下降；（4）循环过程中较大的体积变化引起活性物质的粉化和脱落。这些问题综合造成锂硫电池整体性能指标（比容量、循环性能、倍率性能、库伦效率）的下降。

为了克服锂硫电池存在的以上缺点，国内外研究者提出了以下四个方向的解决策略：（1）优化硫正极材料，如制备导电聚合物-硫、纳米金属氧化物-硫以及各种碳-硫复合材料，提高正极材料的导电率，抑制聚硫的溶解和“穿梭”，提高结构稳定性；（2）保护负极，将锂与聚硫锂相隔离防止硫和锂的自放电消耗；（3）优化电解质体系，例如在醚类电解液中添加硝酸锂可以有效减缓“穿梭”效应，从而提高电池的库伦效率；（4）增加中间碳层，抑制聚硫的“穿梭”。

空心碳球能够容纳足够的硫，同时能够抑制聚硫的溶解和穿梭。石墨烯具有高的比表面积、良好的导电性以及灵活可控的机械柔韧性。它们都是具有重要应用前景的锂硫电池正极材料的良好载体，但各自有不足：空心碳球电子传导性不如石墨烯，石墨烯的孔隙结构不如空心碳球丰富，且石墨烯导电性优异但单独作为正极材料时存在聚硫锂的溶解和穿梭问题。因此，研发一种能够解决上述问题的复合材料具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种导电性能好、具有丰富的分级孔结构、可应用于锂硫电池正极材料中提供快速的电子传导、抑制聚硫锂的溶解和穿梭、以及缓解硫正极在循环过程中体积变化的三维石墨烯-空心碳球纳米复合物及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种三维石墨烯-空心碳球纳米复合物，所述三维石墨烯-空心碳球纳米复合物是由空心碳球与石墨烯组成，所述空心碳球分布在所述石墨烯构成的三维网络结构中。

上述的三维石墨烯-空心碳球纳米复合物中，优选的，所述空心碳球与石墨烯的质量比为8∶1～80；所述空心碳球的粒径为50nm～300nm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种三维石墨烯-空心碳球纳米复合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）将正硅酸四乙酯加入到由乙醇、氨水、水组成的混合溶剂中，然后依次加入酚类物质的乙醇溶液、醛类物质的水溶液，进行水热反应，获得酚醛树脂包覆二氧化硅的微球；

（2）将步骤（1）得到的酚醛树脂包覆二氧化硅的微球与氧化石墨烯分别超声分散于水中，然后将二者混合，加入还原剂，进行水热反应，得到三维石墨烯-微球水凝胶；

（3）将步骤（2）得到的三维石墨烯-微球水凝胶干燥后，在惰性气氛保护下高温烧结，得到三维石墨烯-碳球纳米复合物；

（4）将步骤（3）得到的三维石墨烯-碳球纳米复合物置于氢氟酸水溶液中溶解二氧化硅微球，经洗涤干燥后，得到三维石墨烯-空心碳球纳米复合物。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1）的混合溶剂中，乙醇∶水的体积比为50～1∶1，氨水∶水的体积比为1∶1～20；所述正硅酸四乙酯与由乙醇、氨水、水组成的混合溶剂的体积比为1∶15～50。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述酚类物质的乙醇溶液中酚类物质浓度为1mol/L～2mol/L；所述醛类物质的水溶液中醛类物质的质量分数为30%～37%；所述醛类物质与酚类物质的摩尔比为1.1～2.0∶1；所述醛类物质与正硅酸四乙酯的比值为1mol～5mol∶1L。