[发明专利]高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料及其制备与应用

说明书

本发明提供了一种高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料及其制备与应用，其制备方法：将碳纳米管和石墨烯混合，加入乙醇，超声分散均匀，置于50℃烘箱烘干,得到碳纳米管和石墨烯的复合物；并将该复合物置于高温石墨化炉中,在高纯度氩气保护下，利用程序升温法升至2850℃，并持续2h，得到高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料。该发明制备方法简单，易大规模生产；同时高温石墨化处理能有效修复碳材料的表面缺陷结构和剔除表面的含氧官能团，使得该材料的电导和热导能力得到极大的改善；使用该高温材料得到的载硫正极在高倍率大电流的充放电循环中展现极大优势及能有效保护隔膜的完整性。

技术领域

本发明主要涉及在碳纳米材料领域，尤其在高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料及其制备与应用方面。

背景技术

锂硫电池由于高能量密度，1675mAhg^-1的理论容量和廉价成本成为大型储能领域中最具有希望的可充放电电池系统之一。然而，硫的不导电性和多硫化物的穿梭效应一直是锂硫电池的不足之处。

针对锂硫电池中存在的这些不足之处，人们从上世纪60年代开始探究其解决方案，提出将绝缘性的硫和碳纳米管，石墨烯，多孔碳等导电碳材料复合作为锂硫电池的正极材料，但这些方法过程复杂,繁琐且对于改善多硫化物的穿梭效应方面效果不佳。近年来，人们通过引入二氧化钛，碳化钛等金属类化合物在很大程度上改善了多硫化物的穿梭效应，同时在电池的电化学性能方面也表现出优异的性能。但为了进一步满足其在实际生活中的需要，满足对大型载流体的快速充放电是不可或缺的要求。因此，具有三维结构的高电导,热导的材料作为正极载硫材料无疑是一个极佳的选择之一。

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，而提供一种高石墨化程度的三维碳纳米管石墨烯复合材料的制备方法，合成方法简单，易于大规模生产。

本发明的第二个目的是提供一种高石墨化程度的三维碳纳米管石墨烯复合材料。

本发明的第三个目的是提供一种高石墨化程度的三维碳纳米管石墨烯复合材料作为锂硫电池正极载硫材料的应用，极大改善了锂硫电池高倍率大电流的充放电性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料，其制备方法：

(1)将碳纳米管和石墨烯按质量比0.5～3：1混合后，加入乙醇，超声分散均匀，置于50℃烘箱烘干,得到碳纳米管和石墨烯的复合物。

所述碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、阵列碳纳米管；

所诉石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯；

所述乙醇的体积用量以碳纳米管和石墨烯的复合物的质量计为100～500mL/g，优选200～300mL/g；

(2)将步骤(1)所得的碳纳米管和石墨烯的复合物置于高温石墨化炉中,在氩气保护下，利用程序升温法,首先以300～400℃/0.5h升温至1200℃，之后以200～300℃/0.5h升温2850℃，并在2850℃条件下持续1～5h，得到所述的高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料。

所述高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料可作为正极载硫材料应用于锂硫电池中，所述应用的方法为：

(1)高石墨化三维碳纳米管石墨烯/S复合材料的制备

将高石墨化三维碳纳米管石墨烯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(即高石墨化三维碳纳米管石墨烯复合材料与单质硫质量之和与CS₂的质量之比)1：10～20加入CS₂中搅拌，然后置于10～25℃下至CS₂挥发完全后，剩余物质于155℃烘箱中保温12h，之后冷却至室温,即得高石墨化三维碳纳米管石墨烯/S复合材料。