[发明专利]一种水性聚苯胺锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种水性聚苯胺锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池以单质硫作为正极反应物质，以单质锂或锂合金作为负极材料。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物。正极和负极反应的电势差即为锂硫电池的放电电压。根据单位质量的单质硫完全变为S^2-所提供的电量可得出硫的理论比容量为1675mAh/g，同理单质锂的理论比容量高达3860mAh/g。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li₂S)时，锂硫电池的整体理论能量密度达到了2600Wh/kg。远远大于现阶段所使用的商业化的二次电池。此外单质硫作为正极材料，原料来源丰富，成本低廉，因此在大容量电池方面最有希望超过普通的锂离子电池，而且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的电池电极材料。但是由于单质硫为绝缘体，需要与导电物质进行复合才能有效地进行离子与电荷的传输。

聚苯胺是一种导电性能优异的高分子材料。目前聚苯胺在电化学、传感器、电池、高温材料、太阳能材料以及生物学领域得到广泛的研究和应用。尤其是水性聚苯胺纳米纤维具有高比表面积这一特性使其在电子器件、传感器以及超电容器领域得到广泛的关注。

石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被认为是“新材料之王”。并且石墨烯这种二维网状结构为电子传输提供了畅通的传输通道。然而单层的石墨烯薄片很容易重新堆积，这将会降低其固有的高比表面积以及其它的一些物理化学特性。而将水性聚苯胺纳米纤维包覆于石墨烯片层间将有助于抑制石墨烯片层的再堆积，从而得到导电性能更好的复合材料。

目前锂硫电池复合正极材料的研究成为热点。中国专利CN104466138A公开了一种锂硫电池球形复合材料的制备及其应用，采用化学共沉积法载硫-原位聚合法包覆导电聚苯胺的“一锅法”合成，得到的复合正极材料为多孔碳纳米球/硫/聚苯胺,该正极材料具有“三明治”球形结构。中国专利CN104362316A公开了一种多壁碳纳米管/硫/聚苯胺复合正极材料的制备，其制备方法与中国专利CN104466138A类似，仅仅是把多孔碳纳米球换成了多壁碳纳米管。然而，上述两个专利得到的复合正极材料不含有亲水基团，需要在二甲苯、苯等有机溶剂体系中进行分散，为溶剂型正极材料，无法在水中进行分散加工，只能在溶剂体系中进行分散制备电池正极材料，随着现在的环保法规的限制，水性锂硫电池电极材料即将成为该领域的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的锂硫电池电极材料无法在水中进行分散的问题，而提供一种水性聚苯胺锂硫电池正极材料及其制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明首先提供一种水性聚苯胺锂硫电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将氧化石墨烯和水性聚苯胺纳米纤维粉末混合，得到混合溶液A；

步骤二：将硫代硫酸钠水溶液加入到步骤一得到的混合溶液A中，然后加入盐酸反应，得到混合溶液B；

步骤三：将氢碘酸加入到步骤二得到的混合溶液B反应，得到水性聚苯胺锂硫电池正极材料。

优选的是，所述的步骤一氧化石墨烯与水性聚苯胺纳米纤维粉末的质量比为(0.8～2)：(1～1.5)。

优选的是，所述的硫代硫酸钠与水性聚苯胺纳米纤维粉末的质量比为(35～50):(1～1.5)。

优选的是，所述的步骤二硫代硫酸钠与盐酸的摩尔比为(0.4～0.5)：1。

优选的是，所述的步骤二的反应温度为室温，反应时间为1.5～3小时。

优选的是，所述的步骤三反应温度为80～95℃，反应时间为8～12h。

优选的是，所述的水性聚苯胺纳米纤维粉末的制备方法，包括：

(1)将苯胺单体加入无机酸水溶液中，得到混合溶液a；

(2)将氧化剂溶解在无机酸水溶液中，得到混合溶液b；

(3)将混合溶液b倒入混合溶液a中，搅拌30～60s，室温放置24～36h，得到的产物经洗涤，得到聚苯胺粉末；

(4)将上述聚苯胺粉末和水性掺杂剂混合，在65-80℃下反应18-24小时，得到水性聚苯胺纳米纤维粉末。

优选的是，所述的步骤二氧化剂选自过硫酸铵、过硫酸钾中的一种或者两种。

优选的是，所述的步骤四的水性掺杂剂为磷酸酯或者磺酸酯。