[发明专利]一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法，所述高性能锂硫电池正极材料的制备方法如下：S1：利用改进Hummers法制备氧化石墨烯；S2：于搅拌条件下向氧化石墨烯溶液中滴加纳米硫磺溶液得混合液，然后在300～650W功率下对混合液进行超声分散1～5h，最后对混合液进行喷雾干燥处理，即得所述高性能锂硫电池正极材料；其中，喷雾干燥的压力为标准大气压，进风量为2～8m³/min，进风温度为150～250℃，进料速度为1～10mL/min,通针速度为1次/5～30s。本发明提供的制备方法制备得到的锂硫电池正极材料具有较高的负载量，能够有效避免“穿梭效应”和“体积膨胀效应”、电化学性能优异且稳定性强。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

随着电池日益扩展的领域如混合动力汽车、智能电网、便携式产品等，对其性能提出了越来越高的要求。目前，传统的商业锂离子电池受其自身理论比容量为300mAh/g的限制，导致能量密度不高，很难满足锂离子电池实际应用质量的要求。因此，开发下一代能量密度高、环保、低成本的新型锂离子二次电池具有非常重要的战略意义。新型锂硫电池的理论比容量为2600Wh/kg，约为传统商业锂离子电池的五倍，并且作为正极材料的硫环保无污染，被认为是最具发展潜力的高性能电池之一。

然而，锂硫电池在实际应用上仍存在一些关键难题。其一，单质硫在室温条件下具有电子绝缘性（电导率为5×10-30S·cm-1），降低了电子和离子在以硫为正极材料的正极的传导率；其二，锂硫电池的的充放电过程中生成的高价态聚硫离子在电解液中具有高溶解性，聚硫离子会扩散迁移到锂负极，与锂反应生成多硫化锂，产生飞梭效应，造成活性物质的不可逆损失以及电池容量的衰减；其三，充放电过程中不溶性Li2S不断负极沉积，会产生锂枝晶，硫和最终产物Li2S的密度不同，硫正极会发生体积膨胀而碎裂(膨胀比为76%)，这些都会导致锂硫电池循环稳定性变差。因此，如何提高锂硫电池的循环寿命，提高正极活性物质利用率以及改善体积膨胀问题成为锂硫电池的研究热点。

现有技术中，提高锂硫电池性能的方案主要是硫基正极结构的优化和改性，通常通过填充、混合或包覆的方法将单质硫和具有高的孔结构的多孔材料进行机械复合，形成正极复合材料，从而改善硫基正极的锂离子电导率和电池的循环性能。对该多孔材料有以下要求：一，具有化学稳定性，不与多硫化物和金属锂发生反应；二，不溶于电解质；三，具有较高的锂离子电导率。石墨烯具有导电性强、比表面积大、电化学性能稳定、结构柔韧灵活和独特的二维网络几何结构等优势，可以简单易行的与硫形成核壳包覆结构。利用石墨烯改性锂硫电池，具有层状结构的石墨烯可以作为单质硫的载体，石墨烯表面具有的含氧功能基团对溶解在电解液中的多硫离子具有较强的吸附力,能够有效地阻止多硫化物的穿梭效应,并且能够为活性物质硫提供良好的稳定网络结构，能够缩短电子与粒子的传输路径，提高硫单质的电化学活性，进而提高锂硫电池的整体性能。关于石墨烯/硫复合正极材料研究的现有技术也有报道：CN201310153983.8报道了一种硫-石墨烯复合结构锂硫电池正极材料制备方法，首先制备硫粉、有机胺分散液与石墨烯有机溶剂，将两者混合得到第三分散液，通过滴加水或酸液进行固液分离，最终得到锂硫电池正极材料。CN105609773A报道了一种硫掺杂三维结构锂硫电池正极材料的制备方法，采用水热法以苯磺酸钠为硫源生成三维硫掺杂石墨烯，在N-甲基吡咯烷酮溶液中加入硫掺杂石墨烯与科琴黑超声反应形成三维结构锂硫电池正极材料。CN201610671807.7报道了一种泡沫石墨烯锂硫电池正极片的制备方法，首先将氧化石墨烯和聚丙烯腈球磨混合后分散于乙醇和水的混合溶液，再用泡沫镍浸泡该溶液使氧化石墨烯进入泡沫镍，通过热处理得到泡沫石墨烯，最后将硫涂抹于样品表面进行硫的掺杂，得到锂硫电池正极材料。