[发明专利]金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备方法：将碳管与石墨烯以质量比2:1在乙醇中超声分散均匀，烘干；取适量该复合材料与硫单质混合，加入CS₂充分搅拌之后烘干制得碳管石墨烯载硫复合材料；将其与炭黑、聚偏氟乙烯按一定质量比混合，然后加入NMP，以及合金，搅拌并超声分散均匀，控制粘度，得到浆料，将所得浆料以150～400mm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40～60℃烘箱内烘干，即得合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料；本发明制得的金属合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料用于锂硫电池中，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明属于纳米复合材料研究领域，特别涉及一种金属合金/碳管/石墨烯复合正极材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着社会科技和经济的高速发展，储能成为了许多创新技术的关键，电池技术在电动汽车等新兴概念的推动下取得了巨大进步，各种机制的电池得到开发，但是锂硫电池却是下一代储能技术中最具有潜力的，因为锂离子电池自1991年商业化以来，经过20多年的发展，传统锂离子电池的正负极材料的性能均已接近其理论极限，但面对越来越庞大的储能系统仍不尽人意。而锂硫电池却具有很多优势，它的理论比容量为1675mAh·g^-1，是传统锂离子电池的10倍，并且硫的储量丰富，价格低廉，低毒无公害。但是，锂硫电池中硫的绝缘性、多硫化物的穿梭效应、化学反应动力学过程缓慢等原因，成为了锂硫电池在商业应用过程中的阻碍。

过去十年中，科研工作者深入研究了如何抑制多硫化物的穿梭效应，主要是通过物理吸附将硫限制在各种多孔碳材料中，但是这种电极材料的活性物质负载量低，对多硫化物的吸附能力有限，所以对提高电池性能收效甚微。最近，人们将电催化方法应用到锂硫电池中，利用Au、Pt等贵金属最为催化剂加快反应动力学同时抑制多硫化物的穿梭效应。这种方法效果显著但是成本高昂，无法实现商用。

为了解决这些问题，实现其大规模的使用，必须研究开发成本低廉的催化材料和简便成本较低的制备方法来提高锂硫电池的电化学性能，从而提升锂硫电池的实际应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备方法，该方法操作简单，不涉及高温高压，室温下即可完成，易于大规模生产。

本发明的第二个目的是提供一种通过上述方法制得的金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料，该材料改善了硫锂电池正极的导电性和多硫化物的穿梭效应等问题，展现出了优异的循环稳定性。

本发明的第三个目的是提供了一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料在锂硫电池中的应用，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属合金/碳管/石墨烯的载硫复合正极材料，其具体制备方法为：

(1)碳管/石墨烯复合材料的制备：

将碳管与石墨烯以质量比2:1的比例在乙醇溶剂中超声分散均匀，烘干；

(2)碳管/石墨烯复合材料与硫复合材料的制备：

将步骤(1)所得复合材料与单质硫按质量比1：1～4混合，研磨均匀后以料液质量比(即碳管石墨烯复合材料及单质硫质量之和与CS₂的质量之比)1：10～15加入CS₂中搅拌，然后置于10～30℃下至CS₂挥发完全后，剩余物质于120～160℃烘箱中保温8～12h，之后冷却至室温，即得碳管石墨烯载硫复合材料；

(3)金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备：