[发明专利]微波液相法制备掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，涉及一种微波液相法制备掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法。

背景技术

随着社会高速发展对能源需求量的与日俱增,以及化石燃料对环境的污染和储量的枯竭，使得人们对新型替代能源的需求日益迫切。锂硫电池具有很高的能量密度(2600Wh/kg)，其正极材料硫具有储藏丰富、对环境友好等优点，因此锂硫电池成为下一代二次电池的研发重点。然而，硫的高绝缘性、充放电过程中体积的变化以及中间产物多硫离子溶解等难题，使锂硫电池目前很难实现商品化。石墨烯具有超高的导电性和优异的力学性能，将其与硫制成的复合材料作为电池正极材料可以有效地解决上述问题。

石墨烯是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp²杂化，其优异的电学性能引起了国内外研究者们对其在储能材料应用方面的关注。为了进一步拓展和有效调控石墨烯的物化性质，通常可用与C原子电负性相近的如N、S、B、P等原子进行掺杂。

现有制备掺杂石墨烯的方法有气相沉积法、电弧放电法、水热法、回流法等，但以上方法存在反应条件苛刻，工艺复杂，需要使用危险气体，耗能大等缺点。因此需要发展一种低能耗，绿色环保的掺杂方法，微波法由于节能、高效等特点，逐渐成为关注的热点。碳材料的微波吸收能力是高度依赖于它们的化学成分和结构。氧化石墨带有大量的含氧官能团，在微波辐照过程中，氧化石墨未被氧化的共轭区域作为微波吸收区，产生瞬时的高热量，含氧官能团分解为气体脱去，产生活性位点，掺杂源分解成为含目标杂原子的活性物种，接触活性位点后杂原子以共价键的形式嵌入到石墨烯晶格中，同时实现了氧化石墨的还原以及石墨烯的掺杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波液相法制备掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法，解决了现有技术的制备方法，反应条件苛刻，工艺复杂，需要使用危险气体，耗能大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种微波液相法制备掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法，按照以下步骤实施：

步骤1)利用Hummers法制备氧化石墨；

步骤2)将步骤1)所得的氧化石墨在分散剂中超声分散均匀，氧化石墨在分散液中的浓度为1～1.5g/L，超声时间1～2小时；

步骤3)将0.1～0.2g碳酸氢氨加入40mL步骤2)所得的氧化石墨分散液中超声分散均匀；然后密封于微波反应釜中进行微波加热，得到氮掺杂石墨烯溶液；

步骤4)将硫化钠超声分散在步骤3)所得的氮掺杂石墨烯溶液中，硫化钠质量为0.2～0.5g；再密封于微波反应釜中进行微波加热，得到氮硫共掺杂石墨烯溶液；待冷却至室温后，洗涤，离心，冷冻干燥，得到蓬松的氮硫共掺杂石墨烯粉末；

步骤5)将步骤4)所得氮硫共掺杂石墨烯粉末与升华硫以质量比为1：0.67～2.33混合后球磨；然后将产物进行热处理，得到氮硫共掺杂石墨烯锂硫正极材料。

本发明的有益效果是，主要从加热方式上对传统制备掺杂石墨烯材料的工艺进行了改进，以微波辅助替代传统加热对石墨烯同时进行掺杂和剥离，不仅具有加热均匀、节能高效的特点，而且能极大提高反应速率，并且避免了有毒还原剂水合肼的使用，绿色环保；将所得掺杂石墨烯作为正极材料时，锂硫电池表现出优异的电化学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的氮硫共掺杂石墨烯的X-射线衍射(XRD)图谱，其中横坐标为衍射角(2θ)，单位为度，纵坐标为衍射强度，单位为cps；

图2为氮硫共掺杂石墨烯锂硫复合正极材料在室温0.1C倍率下的充放电曲线，其中横坐标为放电比容量，单位为mAh/g，纵坐标为电压，单位为V。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明微波液相法制备掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法，按照以下步骤实施：

步骤1)利用Hummers法制备氧化石墨；(Hummers法是现有公开的方法，在此不再细述)；

步骤2)将步骤1)所得的氧化石墨在分散剂中超声分散均匀，氧化石墨在分散液中的浓度为1～1.5g/L，超声时间1～2小时；分散剂选用水、乙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的组合；