[发明专利]一种石墨烯-二硫化铁复合正极材料的制备方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种石墨烯-二硫化铁复合正极材料的制备方法。

背景技术

自上世纪九十年代，Sony公司使用片层石墨代替安全性极差的金属Li，制备成功第一种可充的锂离子二次电池以来，锂离子电池因其高比能量，无污染，应用范围得到了飞速发展，已从移动通讯电源、笔记本电脑、摄像机等扩大到电动工具、电动汽车等领域。 

锂-二硫化铁电池是由二硫化铁作为正极材料，金属锂作为负极材料，使用有机电解质组成的锂电池。锂-二硫化铁一次电池为室温放电电池，其额定电压为1.5 V，这与现在所使用的一般用电器相匹配，可以直接代替传统的1.5 V水溶液电池（如Zn/HgO、Zn/Ag₂O、Zn/MnO₂电池等）。其正极材料二硫化铁具有十分优异的特性，在有机电解质中溶解度较小，并且能够保持其电化学反应活性，一次放电理论比容量高达894 mAh/g，其负极锂金属具有较低的标准电极电势（-3.05 V），其理论比容量值也高达3860 mA/g；因此锂-二硫化铁电池具有较高的能量密度、较好的大功率特性和较长的储存时间。

锂-二硫化铁电池正极材料一般直接由天然黄铁矿经过除杂和粉碎制得，所得到的二硫化铁材料导电性不高，有效比表面积相对较低，所制得的电池放电效率不高，大电流放电特性欠佳。由于电解质与电极材料(已放电的或未放电的)之间不可取的氧化/还原反应可能会逐渐污染电解质并且降低其有效性或导致过量放气。这继而会导致灾难性的电池损坏。因此，用于Li/FeS₂电池中的电解质除了促进必需的电化学反应之外，还应当能够具有良好的离子迁移率，并且能够将锂离子(Li⁺)从阳极传送至阴极，以便它能够参与阴极中必需的还原反应而产生LiS₂产物。 

发明内容

为克服上述不足，本发明提供一种石墨烯-二硫化铁复合正极材料的制备方法，使用该方法制备的正极材料，具有良好的充放电性能及循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供的一种石墨烯-二硫化铁复合正极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备石墨烯分散液

通过使用改进型Hummer法，用浓硫酸和高锰酸钾在冰水浴中将石墨氧化成氧化石墨，将氧化石墨超声剥离成氧化石墨烯，得到均匀分散的氧化石墨烯胶体溶液，在70-90℃水浴中用还原剂将氧化石墨烯还原成石墨烯；

将还原所得产物进行刻蚀，刻蚀剂为质量百分浓度为25-30％氢氟酸的水溶液，刻蚀时间为5-8h，刻蚀完成后，将产物用水和乙醇中的交替反复洗涤3-5次，干燥得到石墨烯粉体，并将所述石墨烯粉体分散于丙酮中得到石墨烯分散液，该分散液的石墨烯浓度为10-15g/l； 

（2）制备二硫化铁晶体

将FeSO₄搅拌溶解于丙酮和水的混合溶液中制成溶液一，(NH₂)₂CS和PVP搅拌溶解于有丙酮和水的混合溶液中制成溶液二，将溶液一滴入溶液二中，同时加入过量的S粉，其中所述的FeSO₄、(NH₂)₂CS和PVP的摩尔比为1-2∶2-3∶1-2，所述的S的用量应大于反应量，确保在反应中Fe²⁺不被氧化成Fe³⁺；

继续搅拌后，将所得的混合溶液放进反应釜内，加入丙酮至容积的95％以上，然后密封反应釜，在200-220℃保温反应24-36h后，过滤，得到黑色沉淀，用二硫化碳、去离子水、有机溶剂和稀硫酸进行洗涤以去除富余的S粉，干燥研磨即得二硫化铁纳米晶体； 

（3）合成石墨烯-二硫化铁复合正极材料

将二硫化铁纳米晶体加入到上述石墨烯分散液中，其中二硫化铁纳米晶体与石墨烯质量比为100：3-5，机械搅拌3-6h后得到混合糊状物，将得到的混合糊状物在氦气气体保护下，加热至120-135 ℃，保持 6-10 h后，再加热至350-380 ℃，保持10-15h，然后冷却至室温，通过球磨和过筛得到石墨烯-二硫化铁复合正极材料。

本发明制备的复合正极材料，采用湿法制备高纯度二硫化铁，以保证二硫化铁的高能量密度，并采用高纯石墨烯覆盖，提高材料的导电性和离子迁移率。因此该复合材料在用于锂离子电池时，具有良好的充放电性能及使用寿命。

具体实施方式

实施例一