[发明专利]一种三维碳纳米管/石墨烯/硫电极片的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料合成，特别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2.4V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

本发明要解决的技术问题是提供一种碳纳米管/石墨烯/硫复合材料，同时直接制备成锂硫电池正极片的方法，该方法制备出三维结构的碳纳米管/石墨烯，包覆硫纳米颗粒，改善硫的导电性，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碳纳米管/石墨烯/硫电极片的制备工艺流程如下：

（1）将碳纳米管、石墨烯、聚丙烯腈加入到N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀后超声反应30-120分钟，然后混合浆料涂覆到铝箔上，真空干燥得到电极片；

（2）将得到的电极片放入惰性气体保护的马弗炉内，以3-5℃/min的速度缓慢升温到400-500℃，反应30-60分钟，自然冷却；

（3）将（2）得到的电极片完全插入Na₂S₂O₃溶液中，静止30-60分钟，然后向溶液中缓慢的滴加1mol/L的盐酸，直到溶液PH=6.5-7.5，拿出电极片，干燥后得到正极片。

步骤（1）中碳纳米管、石墨烯、聚丙烯腈的质量比为1:0.8-1.2:0.8-1.2，超声反应时间为30-120分钟，碳纳米管的直径为20-100nm，长度为1-20um。

步骤（3）中电极片插入Na₂S₂O₃溶液的浓度为0.5-2mol/L；盐酸的加入量刚好使溶液的PH=6.5-7.5

本发明具有如下有益效果：（1）聚丙烯腈在石墨烯层与层之间以及石墨烯与碳纳米管之间发生成环反应而交联在一起，使一维的碳纳米管和二维的石墨烯形成一个三维空间，再通过原位还原使硫存储在这个三维空间中；（2）高电导率的碳纳米管和石墨烯材料能有效提高电极片的电导率；（3）在充放电过程中，三维结构的构造有利于锂离子和电子在多维度传导路径中穿梭，提高离子和电子传导率；（4）本发明制备的电极片可直接用于锂硫电池的正极，不需要再添加导电剂和粘结剂，大大降低了电极的成本。

附图说明

图1是本发明制备的三维碳纳米管/石墨烯/硫电极片的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

实施例1

（1）将1g直径为20nm长度为1um碳纳米管、1g石墨烯、1g聚丙烯腈加入到100mL的N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀后超声反应30分钟，然后混合浆料涂覆到铝箔上，真空干燥得到电极片。

（2）将得到的电极片放入惰性气体保护的马弗炉内，以3℃/min的速度缓慢升温到400℃，反应60分钟，自然冷却。