锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料，由如下重量份原料制成：35‑50份改性石墨烯多孔碳材料，200‑230份乙二醇，10‑15份掺杂剂，2‑6份炭黑，15‑25份单质硫，225‑250份N‑甲基吡咯烷酮；本发明专利技术还公开了一种锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料的制备方法；改性石墨烯多孔碳材料具有多孔结构与褶皱形貌，而且不会产生聚集，具有超高的比表面积和孔隙率，能够更多的将硫单质进行负载，本发明专利技术制备出的正极材料在使用过程中，超高的比表面积使得该改性石墨烯多孔碳材料能够与电解液充分接触，并且形成双电子层，而且其较高的孔隙率能够为电子的快速转移提供通道，便于电荷传输，进而具有更加优异的导电性能。

Porous carbon sulfur composite anode material for lithium sulfur battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料及其制备方法
本专利技术属于电化学领域，具体为一种锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料及其制备方法。
技术介绍
锂硫电池以单质硫作为正极反应物质，以单质锂或锂合金作为负极材料。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物。正极和负极反应的电势差即为锂硫电池的放电电压。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li2S)时，锂硫电池的整体理论能量密度达到了2600Wh/kg。远远大于现阶段所使用的商业化的二次电池。此外单质硫作为正极材料，原料来源丰富，成本低廉，因此在大容量电池方面最有希望超过普通的锂离子电池，而且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的电池电极材料。但是由于单质硫为绝缘体，需要与导电物质进行复合才能有效地进行离子与电荷的传输。中国专利技术专利CN105390665B公开了一种水性聚苯胺锂硫电池正极材料及其制备方法，属于电化学领域。解决现有的锂硫电池电极材料无法在水中进行分散的问题。该方法先将氧化石墨烯和水性聚苯胺混合，得到混合溶液A；然后将硫代硫酸钠水溶液加入到混合溶液A中，再加入盐酸反应，得到混合溶液B；将氢碘酸加入到混合溶液B反应，得到水性聚苯胺锂硫电池正极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料及其制备方法。本专利技术需要解决的技术问题为：石墨烯之间存在超强的范德华力和共轭作用力，容易形成三维结构，使其在有机相以及水相溶剂中分散性较差，而且易发生团聚；现有技术中二氧化碳对氧化石墨烯片进行刻蚀时，受到石墨烯自身结构的影响，导致在刻蚀时，刻蚀效果不完全。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料，由如下重量份原料制成：35-50份改性石墨烯多孔碳材料，200-230份乙二醇，10-15份掺杂剂，2-6份炭黑，15-25份单质硫，225-250份N-甲基吡咯烷酮；该锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料由如下方法制成：步骤S1、将改性石墨烯多孔碳材料加入到乙二醇中超声，形成悬浮液A，之后加入掺杂剂，转移至水热釜中，45℃水浴加热，并以120r/min的转速搅拌15min，之后过滤，用无水乙醇洗涤三次，烘干，制得掺杂改性石墨烯多孔碳材料；步骤S2、将炭黑和单质硫加入N-甲基吡咯烷酮中，40℃水浴加热，超声，直至单质硫溶解，制得悬浮液B；步骤S3、将悬浮液B加入悬浮液A中，以150r/min的转速搅拌30min，加入去离子水，离心，用去离子水洗涤三次后烘干，制得所述锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料。进一步地，所述改性石墨烯多孔碳材料由如下重量份原料制成：10-15份石墨烯，5-8份硝酸钠，150-200份质量分数98％浓硫酸，1-1.5份氯酸钾，40-60份体积分数20％过氧化氢水溶液，20-30份二甲苯，20-30份无水乙醇，20-30份去离子水，2-3份十二烷基苯磺酸，25-40份苯胺，5-8份对苯二胺，3.5-6份过硫酸钠。进一步地，所述改性石墨烯多孔碳材料由如下方法制成：(1)将石墨烯加入圆底烧瓶中，加入硝酸钠和98％浓硫酸，在3℃冰浴中搅拌15min，加入氯酸钾，继续搅拌30min，之后40℃水浴加热，反应3h，加入去离子水并置于80℃油浴下反应30min，加入20％过氧化氢水溶液继续反应10min，之后抽滤、洗涤、干燥，制得氧化石墨烯；(2)将二甲苯、无水乙醇和去离子水加入烧杯中混合，磁力搅拌15min，加入十二烷基苯磺酸，之后加入制得的氧化石墨烯，超声并磁力搅拌30min，加入苯胺和对苯二胺，55℃水浴加热继续磁力搅拌30min，加入过硫酸钠，以240r/min的转速搅拌5h，反应结束后，过滤，用去离子水洗涤三次，制得改性石墨烯；(3)将改性石墨烯放入管式炉中，通入氮气排出空气，以8℃/min的速度升温至800℃，通入二氧化碳，在此温度下反应2.5h，之后通入氮气，降温至30℃，制得所述改性石墨烯多孔碳材料。石墨烯之间存在超强的范德华力和共轭作用力，容易形成三维结构，使其在有机相以及水相溶剂中分散性较差，步骤(1)中将石墨烯在氯酸钾和20％过氧化氢水溶液等作用下制备出一种氧化石墨烯，该氧化石墨烯能够分散在水中也可以分散在有机溶剂中，而且该氧化石墨烯表面增加了丰富的含氧官能团，不易发生团聚；步骤(2)中通过苯胺和对苯二胺与氧化石墨烯在溶液中混合，苯胺和对苯二胺能够在溶液中聚合形成聚合物，之后聚合物能够穿梭在氧化石墨烯片层之间，之后对氧化石墨烯片层进行包裹，之后步骤(3)中通过二氧化碳对分开的氧化石墨烯片层进行刻蚀，制得所述改性石墨烯多孔碳材料，该多孔碳材料具有多孔结构与褶皱形貌，而且不会产生聚集，具有超高的比表面积和孔隙率。进一步地，所述掺杂剂为磷酸酯和磺酸酯中的一种或两种。锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤S1、将改性石墨烯多孔碳材料加入到乙二醇中超声，形成悬浮液A，之后加入掺杂剂，转移至水热釜中，45℃水浴加热，并以120r/min的转速搅拌15min，之后过滤，用无水乙醇洗涤三次，烘干，制得掺杂改性石墨烯多孔碳材料；步骤S2、将炭黑和单质硫加入N-甲基吡咯烷酮中，40℃水浴加热，超声，直至单质硫溶解，制得悬浮液B；步骤S3、将悬浮液B加入悬浮液A中，以150r/min的转速搅拌30min，加入去离子水，离心，用去离子水洗涤三次后烘干，制得所述锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料，以改性石墨烯多孔碳材料和单质硫等作为原料，以改性石墨烯多孔碳材料作为基体材料，该改性石墨烯多孔碳材料在制备过程中步骤(1)中将石墨烯在氯酸钾和20％过氧化氢水溶液等作用下制备出一种氧化石墨烯，该氧化石墨烯能够分散在水中也可以分散在有机溶剂中，而且该氧化石墨烯表面增加了丰富的含氧官能团，不易发生团聚；步骤(2)中通过苯胺和对苯二胺与氧化石墨烯在溶液中混合，苯胺和对苯二胺能够在溶液中聚合形成聚合物，之后聚合物能够穿梭在氧化石墨烯片层之间，之后对氧化石墨烯片层进行包裹，之后步骤(3)中通过二氧化碳对分开的氧化石墨烯片层进行刻蚀，制得所述改性石墨烯多孔碳材料，该多孔碳材料具有多孔结构与褶皱形貌，而且不会产生聚集，具有超高的比表面积和孔隙率，能够更多的将硫单质进行负载，而且能够提升电化学反应中硫的利用率，解决了石墨烯之间存在超强的范德华力和共轭作用力，容易形成三维结构，使其在有机相以及水相溶剂中分散性较差，而且易发生团聚；现有技术中二氧化碳对氧化石墨烯片进行刻蚀时，受到石墨烯自身结构的影响，导致在刻蚀时，刻蚀效果不完全的技术问题；(2)本专利技术制备出的正极材料在使用过程中，超高的比表面积使得该改性石墨烯多孔碳材料能够与电解液充分接触，并且形成双电子层，而且其较高的孔隙率能够为电子的快速转移提供通道，便于电荷传输，进而具有更加优异的导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料，其特征在于，由如下重量份原料制成：35-50份改性石墨烯多孔碳材料，200-230份乙二醇，10-15份掺杂剂，2-6份炭黑，15-25份单质硫，225-250份N-甲基吡咯烷酮；/n该锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料由如下方法制成：/n步骤S1、将改性石墨烯多孔碳材料加入到乙二醇中超声，形成悬浮液A，之后加入掺杂剂，转移至水热釜中，45℃水浴加热，并以120r/min的转速搅拌15min，之后过滤，用无水乙醇洗涤三次，烘干，制得掺杂改性石墨烯多孔碳材料；/n步骤S2、将炭黑和单质硫加入N-甲基吡咯烷酮中，40℃水浴加热，超声，直至单质硫溶解，制得悬浮液B；/n步骤S3、将悬浮液B加入悬浮液A中，以150r/min的转速搅拌30min，加入去离子水，离心，用去离子水洗涤三次后烘干，制得所述锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料。/n

【技术特征摘要】
1.锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料，其特征在于，由如下重量份原料制成：35-50份改性石墨烯多孔碳材料，200-230份乙二醇，10-15份掺杂剂，2-6份炭黑，15-25份单质硫，225-250份N-甲基吡咯烷酮；
该锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料由如下方法制成：
步骤S1、将改性石墨烯多孔碳材料加入到乙二醇中超声，形成悬浮液A，之后加入掺杂剂，转移至水热釜中，45℃水浴加热，并以120r/min的转速搅拌15min，之后过滤，用无水乙醇洗涤三次，烘干，制得掺杂改性石墨烯多孔碳材料；
步骤S2、将炭黑和单质硫加入N-甲基吡咯烷酮中，40℃水浴加热，超声，直至单质硫溶解，制得悬浮液B；
步骤S3、将悬浮液B加入悬浮液A中，以150r/min的转速搅拌30min，加入去离子水，离心，用去离子水洗涤三次后烘干，制得所述锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料。


2.根据权利要求1所述的锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料，其特征在于，所述改性石墨烯多孔碳材料由如下重量份原料制成：10-15份石墨烯，5-8份硝酸钠，150-200份98％浓硫酸，1-1.5份氯酸钾，40-60份20％过氧化氢水溶液，20-30份二甲苯，20-30份无水乙醇，20-30份去离子水，2-3份十二烷基苯磺酸，25-40份苯胺，5-8份对苯二胺，3.5-6份过硫酸钠。


3.根据权利要求2所述的锂硫电池用多孔碳硫复合正极材料，其特征在于，所述改性石墨烯多孔碳材料由如下方法制成：
(1)将石墨烯加入圆底烧瓶中，加入硝酸钠和98％浓硫酸，在3℃冰浴中搅拌15min，加入氯酸钾...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，王雪源，黄德奇，徐嘉琪，周寅飞，
申请(专利权)人：扬州工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32