[发明专利]一种石墨烯包覆的碳纳米纤维/硫复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯包覆的碳纳米纤维/硫复合材料的制备方法，将碳纳米纤维与淀粉混合均匀，然后加入去离子水，进行超声分散得均匀混合溶液；然后采用静电纺丝技术将得到的混合溶液制备得到碳微球，然后在惰性气体氛围下进行炭化处理，得到球状碳微球；再将得到的碳微球与单质硫混合进行热处理，得到碳/硫复合微球；最后将制备得到碳/硫复合微球和氧化石墨烯水溶液混合加入还原剂进行还原，搅拌使其充分反应，过滤并干燥，得到石墨烯包覆的碳纳米纤维/硫复合微球材料。本发明石墨烯包覆的碳/硫复合材料用作锂硫电池正极材料时，具有高的首次放电比容量，容量保持率佳，而且制备方法简单易行、成本低、绿色环保，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，更具体的，涉及一种石墨烯包覆的碳/硫复合材料及其制备方法。

背景技术

随着世界能源的消耗需求不断增长，可开发利用的石油资源日益枯竭，而环境污染却日益严重，因此利用电化学储能技术将清洁的太阳能，风能储存再利用无疑是人类在21 世纪解决这一问题的最有效途径；另外影响人们生活的移动电子设备、电动汽车等也都对未来电化学储能技术提出了更高的要求。这些都需要安全、低廉、高能量密度和长寿命的二次电池来实现。在诸多储能方式中，锂离子电池以质量轻、容量高和无记忆效应等优点，在当今储能工业占据核心地位。

锂离子电池使用石墨材料作为负极，磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等含锂金属氧化物作为正极，利用锂离子在正负极之间的“摇椅效应”来贡献容量，目前现有的二次锂离子电池自身理论比容量将近300mAh/g，即便如此也难以达到人们所需的二次电池的要求，同时燃料电池在短时间内还较难实用化，因而具有2600Wh/kg理论比能量的锂硫电池成为目前的研究发展对象。

锂硫电池以单质硫作为正极，金属锂作为负极，其中单质硫的理论比容量就达到1680mAh/g，且单质硫价格低廉、资源丰富，对环境友好，在一定程度上可以替代锂离子电池，但是锂硫电池的实际比容量远远小于理论比容量，因此限制了它大规模的运用。造成这个现象的主要原因是锂硫电池在充放电循环的过程中，聚硫化物易溶于电解液中，在循环终止时，并没有全部转化成最终产物，造成了有效物质的损失，同时由于聚硫化物的溶解造成的“飞梭效应”，使得锂硫电池的容量大幅度降低。因此发明出能改善锂硫电池“飞梭效应”的正极材料十分迫切。

同时为了克服硫单质的缺陷，可向单质硫中添加具有导电性和大比表面积的碳基材料，形成复合正极材料，从而提高单质硫的导电性能同时降低循环过程中活性物质的流失。碳纳米纤维作为一种新型的高性能材料，具有高的强度、优良的导电性能及强的吸附性能，可以大量吸附纳米硫，减少硫活性物质的流失。但是，分布在碳纳米纤维表面的硫一方面增大了碳纳米纤维/ 硫复合材料表面的接触电阻，导致电池倍率性能降低；另一方面，仅靠碳纳米纤维的吸附性能很难完全抑制硫活性物质及硫放电时产生的还原产物的流失。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种石墨烯包覆的碳纳米纤维/硫复合材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种石墨烯包覆的碳纳米纤维/硫复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.将碳纳米纤维与淀粉按1：4~5混合均匀，然后加入去离子水中，进行超声分散，得均匀混合溶液；

S2.采用静电纺丝技术将步骤S1得到的混合溶液制备得到碳微球，然后在惰性气体氛围下进行炭化处理，得到球状碳微球；

S3.将步骤S2得到的碳微球与单质硫混合在260~300℃下进行热处理6~10h，得到碳/硫复合微球；

S4.将步骤S3制备得到碳/硫复合微球和氧化石墨烯水溶液按质量比3~6:1 混合，进行超声分散后加入还原剂，搅拌使其充分反应，过滤并干燥，得到石墨烯包覆的碳纳米纤维/硫复合微球材料。

优选地，步骤S1中超声分散时间为1~3小时。