[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法，属于功能复合材料领域。本发明提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，具体为：单质硫与混合液反应生成还原性前驱液，再将还原性前驱液与氧化石墨烯溶液搅拌使得还原性前驱液被氧化石墨烯溶液中的含氧官能团氧化从而原位地在石墨烯表面生成单质硫，所得单质硫将石墨烯片层紧密粘连使得单质硫被石墨烯封装起来；所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯为部分还原的氧化石墨烯；混合液为水合肼与N,N‑二甲基甲酰胺的混合溶液。本发明制备的碳硫复合正极材料中石墨烯与单质硫之间有很好的相互作用，单质硫被很好地封装在石墨烯片层之间；该复合物制得的电极材料具有较高的比容量，好的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法，属于功能复合材料领域。

背景技术

随着石油，天然气等不可再生能源的消耗，太阳能，风能，地热能等可再生能源的利用越来越受到人们的青睐，但是由于可再生能源的不可控性，导致其在实际运用的的过程中需要对其进行存储。另外充电汽车以及充电设备的供电系统一直受限于能量密度低，如果需要增加电池供电时间，必须把电池的体积和质量增加，但这就大大的制约了其在充电汽车以及便携式充电设备的运用。所以寻求一种高能量密度的电池材料迫在眉睫。

单质硫广泛存在于自然界中，它稳定，无毒，是一种环境友好的原料，它有很高的比电容量(1675mA h g-1)。但是将其作为电池的活性物质使用时存在很多问题。首先是它低的电导率是的在充放电过程中会降低电池能量效率，还有在充放电过程中活性物质表面形成的一层钝化膜也会导致活性物质利用率下降。其次是锂硫电池特有的飞梭效应，在充放电过程中形成的高聚态聚硫化锂很容易溶解于电解液中，在硫正极和锂负极之间形成浓度差导致锂硫电池中聚硫离子在正负极之间的来回扩散，这被称作为“飞梭效应”，飞梭效应会大大降低电池的电化学性能。然后是硫单质和放电产物具有不同的密度因此当单质硫被锂化时，将产生较大的体积膨胀，这会大大破坏正极材料的结构稳定性，使得电池循环性能变差。最后是金属锂片的能级通常高于常用电解液的最低未分子轨道能级。因此，电解液很容易在锂负极表面还原，形成固态电解质膜(SEI)，导致严重的不可逆容量损失和较低的沉积效率。锂负极上不均匀的Li沉积，将导致枝晶锂的生长，引起电池的安全问题。

目前要解决以上问题，绝大部分工作是将单质硫和不同的碳材料通过不同的方式进行复合，碳材料高的导电性能改善单质硫导电性差的缺点，并且特殊的碳材料结构可以很好的固定住活性材料单质硫和缓冲单质硫在放电过程中的体积膨胀。但是传统的复合方法如球磨，高温处理，化学析出都存在问题，如球磨和高温处理，碳材料和单质硫之间的作用力不够，并且单质硫往往颗粒较大且碳和硫不能达到很好的结合。化学析出单质硫可以得到颗粒较小的单质硫颗粒，碳硫分散也比较均匀，但是碳硫之间的作用力还是不够，只有范德华力。并且用这种方法，析出的单质硫都分散于碳材料表面，没有被碳材料很好的封装起来，容易在充放电过程中流失，所以以上方法制备的活性材料性能方面还是不够好。

发明内容

针对上述缺陷，本发明旨在提供一种制备锂硫电池正极材料的制备方法，该方法合成的碳硫复合正极材料中石墨烯与单质硫之间有很好的相互作用，单质硫被很好地封装在石墨烯片层之间；该复合物制得的电极材料具有较高的比容量，好的循环性能和倍率性能。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，所述制备方法为：单质硫与混合液反应生成还原性前驱液，再将所得还原性前驱液与氧化石墨烯溶液搅拌使得还原性前驱液被氧化石墨烯溶液中的含氧官能团氧化从而原位地在石墨烯表面生成单质硫，所得单质硫将石墨烯片层紧密粘连使得单质硫被石墨烯封装起来；其中，所述氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯为部分还原的氧化石墨烯；所述混合液为水合肼(HH)与N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液。

进一步，单质硫与混合液的质量比为：1：1～1：4。