[发明专利]一种还原过氧化石墨烯、包含其的中间层材料及锂硫电池

说明书

本发明涉及一种还原过氧化石墨烯、包含其的中间层材料及锂硫电池，属于电化学电池技术领域。本发明的还原过氧化石墨烯是对包含孔径100nm以下的孔的过氧化石墨烯进行还原得到的。进一步采用包含具有网络结构的还原过氧化石墨烯的中间层材料制备正极并组装成锂硫电池，可提高对电解液的吸收能力和保存能力，硫在中间层材料中形成浓度梯度，抑制正极材料中的多硫离子扩散到本体电解液中和负极区，避免多硫离子在充电过程中在正极材料表面的沉积，减少活性硫的损失以及正极表面死硫沉积，提高硫利用率，进一步控制还原过氧化石墨烯的还原程度，可解决现有技术中存在的循环容量衰减严重及其活性物质导电性差等问题，改善锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于电化学电池技术领域，涉及一种还原过氧化石墨烯、包含该还原过氧化石墨烯的中间层材料及锂硫电池。

背景技术

锂硫电池以高理论比容量的单质硫(1672mAh g^-1)作为正极活性材料，同时采用高比容量的锂金属(3862mAh g^-1)作为负极，电池的平均电压可达2.1V，理论能量密度可达2600mAh g^-1，约为目前商用电池能量密度的5倍，且单质硫成本低廉、产量丰富、环境友好，是一种可持续发展的材料体系。这些优势使锂硫电池在二次电池体系中成为一种具有广阔发展前景的储能器件体系。然而，在充放电过程中，中间产物多硫化物(Li₂S_n,n2)会溶于电解液，使得多硫化物在开始的循环过程中能更均匀地分布于正极的导电结构中，从而降低电池的性能水平。与此同时，硫或硫化锂在正极表面或金属锂负极表面若沉积形成连续的完整膜，整个的电池的电压将会大大下降。另外，充放电过程中带来的内部应力很可能使电极结构被破坏，电池的电化学性能受损。在不进行充放电的情况下，随着静置时间的增加，很容易发生自放电现象，从而制约锂硫电池的商业化应用。针对以上问题，研究者们进行了一系列改善锂硫电池性能的工作。如土木春等在其中国专利申请“一种具有吸附层的锂硫电池”(公开号为：CN 102185158 A)，在隔膜上涂覆一层碳材料中间层吸附多硫化物，然而，在隔膜上涂布复合层容易造成电池短路，并且涂布的方式不可避免地要引入非活性物质涂布层，使电池中活性物质的含量降低，不利于实现锂硫电池高比能量密度的特点，电池的循环稳定性等仍有提高的空间及必要。

发明内容

针对现有技术中存在的电池循环容量衰减严重，库伦效率低，活性物质利用率低等问题，本发明的目的在于提供一种还原过氧化石墨烯、包含该还原过氧化石墨烯的中间层材料及锂硫电池。本发明的不同还原程度的还原过氧化石墨烯对阻挡多硫化离子以及硫利用率的提高程度不同，通过控制碳氧比，可使采用其组装得到的锂硫电池兼具较高的载硫量、较高的充放电容量和良好的循环性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种还原过氧化石墨烯，所述还原过氧化石墨烯是对过氧化石墨烯进行还原得到的，所述过氧化石墨烯中包含孔径在100nm以下的孔。

本发明中，所述氧化石墨烯中包含孔径在100nm以下的孔，例如为100nm、90nm、85nm、80nm、75nm、70nm、65nm、60nm、50nm、45nm、40nm、35nm、30nm、27m、25nm、20nm、18nm、15nm、12.5nm、10nm、8nm、6nm、5nm或3nm等，优选在20nm以下。

优选地，所述还原过氧化石墨烯的孔隙率在5％～50％，例如为5％、7％、8％、10％、13％、15％、20％、22.5％、25％、30％、33％、35％、38％、40％、42％、44％、47％或50％等。

作为本发明所述还原过氧化石墨烯的优选技术方案，还原过氧化石墨烯具有网络结构。还原过氧化石墨烯具有网络结构的特征与其还原程度密切相关，还原程度不同，消除含氧官能团和缺陷的程度以及对层间距的影响不同，对孔径的影响也不同，例如，当还原过氧化石墨烯为完全还原的过氧化石墨烯时，其不是网络结构。