[发明专利]一种硫/MXene/石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硫/MXene/石墨烯复合材料及其制备方法和应用，该复合材料由单质硫、MXene与石墨烯制备得到，所述单质硫、MXene与石墨烯的质量比为4～17:1～6:1。该硫/MXene/石墨烯复合材料的制备方法包括以下步骤：将所述单质硫、MXene与石墨烯混合研磨，再通过真空熔融扩散的方法制备得到。该硫/MXene/石墨烯复合材料的载硫量高，导电性好，将其作为锂硫电池的正极材料，可以提高正极材料的导电性和活性物质硫的利用率，并且，可以吸附反应过程中产生的中间态多硫化物，从而可以避免因中间态多硫化物的溶解引发的穿梭效应，进而可以提高锂硫电池的比能量和库仑效率。

技术领域

本发明涉及材料领域，特别是涉及一种硫/MXene/石墨烯复合材料及其制备 方法和应用。

背景技术

随着人们对于能源需求的不断提升，发展新的储能体系越来越重要。与性 能良好的锂离子电池相比，以金属锂为负极、单质硫为正极的锂硫电池优势明 显，其理论比能量高，可达到2600Wh/kg(锂和硫的理论比容量分别为3860mAh/g 和1675mAh/g)。此外，锂硫电池还具有原材料储量丰富、成本低、环境友好等 优点，因此受到研究者的关注，被认为是可替代锂离子电池的储能体系中最有 潜力的研究方向之一。

但是，锂硫电池的发展遭遇瓶颈，面临一些技术上的困难，例如正极材料 单质硫的利用率因固定不牢而无法提高，使得有效活性物质降低，并且单质硫 在室温下导电率较差，再者，反应过程中的中间态物质易溶解，从而会引发穿 梭效应等，这些因素导致锂硫电池的实际比能量(比容量)并不高，远低于其 理论比能量。

锂硫电池经过多年的发展，针对上述技术上的壁垒，已经开发出了一些解 决方案，比如，针对锂硫电池正极材料活性物质利用率低的问题，目前的解决 方法是寻求比表面积高的碳集体进行复合，或者采用连续的碳包覆及溶液相氧 化反应法，然后进行高温煅烧。该方法不仅流程复杂，耗能高，而且对设备要 求较高。另一种方式是以多孔碳为基材进行复合，利用碳基材料的良好导电性 提高正极材料的导电性，但是该方法吸附单质硫的能力仍达不到要求。

因此，目前针对锂硫电池正极材料导电性差、中间态多硫化物易溶解以及 活性物质硫的利用率低等导致的实际比能量低的问题还没有有效的解决办法。

发明内容

基于此，本发明提供了一种硫/MXene/石墨烯复合材料，该硫/MXene/石墨 烯复合材料的载硫量高，导电性好，将其作为锂硫电池的正极材料，可以提高 正极材料的导电性和活性物质硫的利用率，并且，可以吸附反应过程中产生的 中间态多硫化物，从而可以避免因中间态多硫化物的溶解引发的穿梭效应，进 而可以提高锂硫电池的比能量和库仑效率。

具体技术方案如下：

一种硫/MXene/石墨烯复合材料，由单质硫、MXene与石墨烯制备得到，所 述单质硫、MXene与石墨烯的质量比为4～17:1～6:1。

在其中一些实施例中，所述单质硫占所述单质硫、MXene和石墨烯总质量 的60％～80％。

在其中一些实施例中，所述单质硫占所述单质硫、MXene和石墨烯总质量 的70％～76％

在其中一些实施例中，所述单质硫、MXene与石墨烯的质量比为 14～16:3～5:1。

在其中一些实施例中，所述单质硫、MXene与石墨烯的质量比为15:4:1、 8:1:1、12:5:3或者7:2:1。

在其中一些实施例中，所述单质硫、MXene与石墨烯的质量比为15:4:1。

在其中一些实施例中，所述MXene的制备方法包括如下步骤：用氢氟酸刻 蚀碳化铝钛，得到MXene。