[发明专利]一种锂离子电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池正极材料及其制备方法,其锂离子电池正极材料的制备利用多孔碳与硫形成碳‑硫纳米粒，将碳‑硫纳米粒负载至双层石墨烯膜，形成复合膜(CSG)，复合膜再覆盖一层由石墨烯片和多孔碳形成的“皮肤”，形成碳‑硫纳米粒‑石墨烯/多孔碳膜(CSG/PC)。本发明中的多孔碳膜由石墨烯片和多孔碳组成，其厚度约为1μm，位于碳‑硫纳米粒‑石墨烯膜的底部，可以有效阻止多硫化物的穿梭效应，同时为电子和锂离子的快速运动提供有效的通道。

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极技术领域，尤其涉及一种锂离子电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的极具发展前景的高容量储能体系，其理论比能量高达2600Wh/Kg。硫与金属锂完全反应形成Li₂S，电极反应为S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S，硫的理论比容量高达1672mAh/g。此外，单质硫在自然界中储量丰富、价格低廉且毒性较低，因此，单质硫是目前极具吸引力的正极材料之一。但是，锂硫电池中活性物质硫和最终放电产物Li₂S是电子和离子的绝缘体，且放电过程中的中间产物多硫化物易溶于电解液中，造成锂硫电池在实际使用过程中存在活性物质利用率低、循环性能差的问题。

目前有两种方法解决锂硫电池的这些问题，一种方法是将单质硫负载到多孔碳材料中，特别是介孔材料中，以阻止多硫化物溶解于电解液中。此外，介孔材料还可以有效提高硫的担载量。另一种方法是分别利用碳纳米管、碳纤维或可导电的聚合物形成夹层，并将其置于硫电极和隔板之间以阻止多硫化物的穿梭。以上两种方法能在一定程度上提高锂硫电池的电化学性能，但是，仅依靠介孔材料并不能完全阻止多硫化物的溶解及穿梭现象。同时，夹层对多硫化物穿梭的屏蔽效应也十分有限。而且过厚的夹层也会影响电子和离子的运动。因此，抑制多硫化物的扩散及提高硫正极循环导电性是硫正极材料的研究重点。

发明内容

本发明针对现有技术中的硫正极材料存在的硫电极比容量小，能量密度低，循环性能差等问题，提供一种硫担载量高，活性利用率高，能量密度高，循环性能好的硫正极材料。

本发明提供一种操作简单、成本低、适于工业化生产的制备石墨烯碳材料/硫复合正极材料的方法。

本发明涉及的锂硫电池正极材料是一种碳-硫纳米粒-石墨烯/多孔碳膜。其利用多孔碳与硫形成碳-硫纳米粒，将碳-硫纳米粒负载至双层石墨烯膜，形成复合膜(CSG)，复合膜再覆盖一层由石墨烯片和多孔碳形成的“皮肤”，形成碳-硫纳米粒-石墨烯/多孔碳膜(CSG/PC)。

所述碳-硫纳米粒-石墨烯/多孔碳膜(CSG/PC)中，多孔碳膜厚度约为1μm，位于碳-硫纳米粒-石墨烯膜的底部。

所述碳-硫纳米粒-石墨烯/多孔碳膜(CSG/PC)中，单质硫的质量百分数为15％～70％。

本发明所涉及材料的制备方法：

(1)将多孔碳与活性硫以1:3混合，将混合物置于反应釜中，在Ar气氛下加热至190℃，保温12小时，得到碳-硫纳米粒。

(2)将碳-硫纳米粒与氧化石墨烯以10:1混合均匀，制备成1mg/mL的溶液，将溶液抽滤形成碳-硫/氧化石墨烯膜。

(3)将氧化石墨烯于多孔碳混合均匀，形成混合溶液，将混合液抽滤形成氧化石墨烯-碳膜。加入碳-硫纳米粒-氧化石墨烯混合溶液继续抽滤，得到碳-硫纳米粒-氧化石墨烯/多孔碳膜。

(4)将所得碳-硫纳米粒-氧化石墨烯/多孔碳膜置于肼蒸汽中，于90℃条件下还原48小时，得到碳-硫纳米粒-石墨烯/多孔碳膜。

本发明中利用多孔碳作为模板与硫形成碳-硫纳米粒，提高了硫的担载量(68.1％)。