[发明专利]一种氟掺杂三维结构锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明提供一种氟掺杂三维结构锂硫电池正极材料的制备方法，包括：（1）将氧化石墨加入到水中超声，形成氧化石墨烯悬浮液；（2）将四丁基氟化铵加入到氧化石墨烯悬浮液中，然后转移到水热釜中进行水热反应，反应完成后乙醇洗、水洗，然后冷冻干燥，得到三维氟掺杂石墨烯；（3）取得到的三维氟掺杂石墨烯与科琴黑加入到N‑甲基吡咯烷酮中超声反应形成悬浮液；（4）将单质硫加入到N‑甲基吡咯烷酮中超声，直到单质硫完全溶解形成悬浮液；（5）将）得到的两种悬浮液混合，搅拌均匀，然后在搅拌下缓慢的加入蒸馏水，离心、水洗、干燥后得到三维结构的锂硫电池正极材料。本发明的方法提高了锂硫电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及纳米碳材料合成，尤其涉及一种锂硫电池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2.4 V 和2.1 V），但其电化学反应机理比较复杂。锂硫电池具有比能量高（2600 Wh/kg）、比容量高（1675 mAh/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

为了解决以上技术问题本发明提供一种三维结构锂硫电池正极材料，同该方法制备出三维结构氟掺杂石墨烯，纳米硫颗粒和科琴黑沉积在氟掺杂石墨烯的三维空间结构中，该设计能改善硫电机的导电性，而且能够阻止放电产物多硫化物的溶解。

本发明提供一种三维结构的锂硫电池正极材料的制备工艺流程如下：

（1）将氧化石墨加入到水中超声，形成氧化石墨烯悬浮液；

（2）将四丁基氟化铵加入到氧化石墨烯悬浮液中，然后转移到水热釜中进行水热反应，反应完成后乙醇洗、水洗，然后冷冻干燥，得到三维氟掺杂石墨烯；

（3）取步骤（2）得到的三维氟掺杂石墨烯与科琴黑加入到N-甲基吡咯烷酮中超声反应形成悬浮液；

（4）将单质硫加入到N-甲基吡咯烷酮中在一定温度下超声，直到单质硫完全溶解形成悬浮液；

（5）将（4）和（3）得到的两种悬浮液混合，搅拌均匀，然后在搅拌下缓慢的加入蒸馏水，离心、水洗、干燥后得到三维结构的锂硫电池正极材料。

步骤（1）中超声反应时间为10~60分钟，氧化石墨烯悬浮液的浓度为1~10g/L;

步骤（2）中水热反应的温度为160~200℃，反应时间为1~6小时，氧化石墨与四丁基氟化铵的质量比为1：0.1~1；

步骤（3）中三维氟掺杂石墨烯与科琴黑的质量比为1:0.05~0.5，悬浮液的浓度为1~5g/L；