[发明专利]一种氧化石墨烯/硫微胶囊复合材料的制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯/硫微胶囊复合材料的制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池，以氧化石墨烯水溶液、含有光引发剂的有机光固化材料溶液、聚乙烯醇水溶液，分别作为内相、外相、驱动相，利用液驱同轴流动聚焦技术，内相和外相在驱动相的剪切作用下得到氧化石墨烯微胶囊，并将其在紫外光照下固化，经洗涤、干燥、高温碳化、熏硫步骤后制备得到氧化石墨烯/硫微胶囊复合材料，其具有良好的导电性能，在胶囊内部大量的氧化石墨烯为硫的吸附提供了比表面积，增加了硫的活性质量，也为硫的体积膨胀提供的缓冲空间，从而改善了锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯/硫微胶囊复合材料的制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池。

背景技术

由于环境污染和化石燃料的枯竭，太阳能和风能等清洁和可再生能源的需求变得越来越迫切，因此发展具有高能量密度、长循环寿命、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义。锂离子电池被广泛应用在人们日常生活领域。随着社会发展，传统锂离子电池已经远不能满足人们对能源存储的需求。

近些年来，锂硫(Li-S)电池由于其高的能量密度(2600Wh kg^-1)和理论容(1675mAhg^-1)引起研究人员的广泛关注，被视为最有应用前景的高容量存储体系之一。锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种电池，其容量远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池(150mAh g^-1)。而单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点，非常具有前景。

Li-S电池近年来成为最具竞争力的高能量密度电池体系，但仍然面临着许多问题与挑战。单质硫的电子、离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10-30S·cm^-1)，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，使整个电极材料的导电性都不高。且Li₂S₂和Li₂S不溶于电解液，沉积在导电骨架的表面；部分硫化锂脱离导电骨架，无法通过可逆的充电过程反应变成硫或者是高阶的多硫化物，造成了容量的极大衰减。锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性。多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费。溶解的多硫化物会跨越隔膜扩散到负极，与负极发生反应，破坏了负极的固体电解质界面膜。锂化时从硫到Li2S的体积膨胀：S₈(2.07g cm^-3)的密度高于Li₂S(1.66g cm^-3)的密度，导致大的体积膨胀(约80％)。体积膨胀会导致正极结构的破裂粉碎，活性材料硫从正极脱离，脱离的这部分活性材料的损失会导致永久性的容量损失。锂硫电池使用金属锂作为负极，除了金属锂自身的高活性，金属锂负极在充放电过程会发生体积变化，并容易形成枝晶，安全性会降低。

这些问题致使电池中硫的利用率低、循环性能差、容量衰减快、倍率性能差，都亟待进一步探索和解决。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化石墨烯/硫微胶囊复合材料的制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池。利用价格低廉原料通过改进hummers法制备得到氧化石墨烯，然后利用液驱同轴流动聚焦技术得到氧化石墨烯微胶囊，氧化石墨烯微胶囊熏硫后得到氧化石墨烯/硫微胶囊复合材料。本发明针对锂硫电池硫的体积膨胀问题，多硫化物易溶于电解液等相关难题，提供了一种工艺简单、产率高、成本低、能实时操作调控的微胶囊复合材料制备方法。

本发明采取的技术方案为：

一种氧化石墨烯/硫微胶囊复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散在去离子水中，得到氧化石墨烯水溶液；

(2)将光引发剂与有机光固化材料搅拌混合，得到混合溶液A；