[发明专利]一种石墨烯/聚噻吩类/硫复合正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料合成领域，涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法，尤其涉及一种石墨烯/聚噻吩类/硫复合正极材料的制备方法。

背景技术

锂硫电池是以金属锂为负极，单质硫为正极的电池体系。锂硫电池的具有两个放电平台（约为2.4V和2.1V），但其电化学反应机理比较复杂。锂硫电池具有比能量高（2600Wh/kg）、比容量高（1675mAh/g）、成本低等优点，被认为是很有发展前景的新一代电池。但是目前其存在着活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等问题，这严重制约着锂硫电池的发展。造成上述问题的主要原因有以下几个方面：（1）单质硫是电子和离子绝缘体，室温电导率低（5×10^-30S·cm^-1），由于没有离子态的硫存在，因而作为正极材料活化困难；（2）在电极反应过程中产生的高聚态多硫化锂Li₂S_n（8＞n≥4）易溶于电解液中，在正负极之间形成浓度差，在浓度梯度的作用下迁移到负极，高聚态多硫化锂被金属锂还原成低聚态多硫化锂。随着以上反应的进行，低聚态多硫化锂在负极聚集，最终在两电极之间形成浓度差，又迁移到正极被氧化成高聚态多硫化锂。这种现象被称为飞梭效应，降低了硫活性物质的利用率。同时不溶性的Li₂S和Li₂S₂沉积在锂负极表面，更进一步恶化了锂硫电池的性能；（3）反应最终产物Li₂S同样是电子绝缘体，会沉积在硫电极上，而锂离子在固态硫化锂中迁移速度慢，使电化学反应动力学速度变慢；（4）硫和最终产物Li₂S的密度不同，当硫被锂化后体积膨胀大约79%，易导致Li₂S的粉化，引起锂硫电池的安全问题。上述不足制约着锂硫电池的发展，这也是目前锂硫电池研究需要解决的重点问题。

发明内容

本发明提供一种石墨烯/聚噻吩类/硫复合材料，该制备方法简单，导电性良好的石墨烯提供导电网络，同时对硫颗粒进行包覆限制多硫化物的移动，外层的聚噻吩包覆硫纳米石墨烯，不但改善硫的导电性，而且能够阻止放电产物多硫化物的溶解并缓解体积膨胀，以该复合材料作为锂硫电池的正极，具有容量高、循环性能稳定的特点。

具体方案如下：一种石墨烯/聚噻吩类/硫复合正极材料的制备方法，包括以下几个步骤：

（1）硫化钠和单质硫按比例在玛瑙研钵中研磨，然后将混合物溶解于蒸馏水中，得到橙色溶液,将TritonX-100加入上述溶液，一边搅拌一边加入浓盐酸，逐渐形成黄色悬浮液；

（2）将氧化石墨加入蒸馏水中超声，得到氧化石墨烯溶液，取氧化石墨烯溶液加入上述黄色悬浮液，水浴中搅拌，得到的悬浮液离心、水洗，冷冻干燥后得到深灰色的硫氧化石墨烯复合材料；

（3）将得到的硫氧化石墨烯复合材料加入碘化钾溶液，然后加入盐酸，密封，并移至黑暗环境下反应，离心，水洗，乙醇洗，硫石墨烯复合材料；

（4）将得到的硫石墨烯复合材料加入水中搅拌，再加入噻吩或其衍生物单体搅拌，然后加入引发剂过硫酸铵，搅拌、静置、过滤、真空烘干，获得石墨烯/聚噻吩类/硫复合材料。

优选的，所述步骤（1）中硫化钠和单质硫质量比为1:1-1:5，TritonX-100的质量分数为1%，硫化钠与质量分数TritonX-100溶液的比例为1-50g：1。

优选的，所述步骤（2）中，氧化石墨与硫化钠的质量比例为1:5-50。

优选的，所述步骤（3）中，氧化石墨的量与碘化钾溶液的比例为1mg:1-5ml;盐酸与碘化钾溶液的体积比为1:5-10。

优选的，所述步骤（4）中，噻吩或其衍生物与硫化钠的质量比为1:10-50；引发剂与噻吩或其衍生物的质量比为1：100-1000。

优选的，所述步骤（4）中，噻吩或其衍生物单体采用聚噻吩、3,4-二氧乙撑噻吩、3,4-二硫乙撑噻吩、3-(4-叔丁基苯)噻吩、3-(4-氟苯基)噻吩中的一种。

优选的，所述引发剂采用过硫酸铵、重铬酸钾和氯化铁中的一种。

优选的，所述步骤（1）中，浓盐酸的质量分数为30%，所述步骤（3）中，稀盐酸的质量分数为10%。