[发明专利]微波法制备N,S共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，涉及一种微波法制备N,S共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法。

背景技术

新能源与可再生能源正在取代日益枯竭的化石能源，已成解决当今世界能源危机以及环境问题的有效手段之一。二次电池是新能源领域中储能装置的重要组成部分，其主要有铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池、锂二次电池等。其中锂二次电池由于其比能量高、充电效率高、温度特性良好、自放电低、充电热效应小和无记忆效应等优点，成为新能源的研究热点。

但传统锂离子电池(LIB)由于能量密度很难突破300Wh/kg，限制了其在混合动力交通工具(PHEV)及纯电动交通工具(PEV)等领域的广泛应用。因此大型高能量密度、低成本的可再生能源系统开始逐步走入人们的视野。以单质硫作为正极，金属锂为负极的锂硫电池，理论能量密度高达2500Wh/kg(体积能量密度可达2800Wh/L)。与传统的锂离子电池相比，锂硫电池能够实现其3～5倍的能量密度，因而备受关注。由于单质硫密度轻、储量丰富、价格低廉、环境友好，所以锂硫电池不仅能量密度高而且成本低、材料来源充足。但是由于活性物质单质硫的绝缘性，使得单质硫必须与电子导体相复合，制备成导电剂/硫复合结构，来增加正极对电子和离子的传导性。

石墨烯是一种由碳原子构成二维蜂窝状新型碳材料。与其他碳材料相比，石墨烯具有更高的比表面积和更为优异的导电性能。因此，可以将石墨烯与硫复合，有效地提高锂硫电池电极材料的电化学性能。但由于石墨烯是片层状的二维结构，对于硫的束缚性不佳，因此电池初始容量虽然高但是衰减较快。对石墨烯掺杂，即对石墨烯进行化学，当石墨烯片层上的C原子被与其电负性相近的杂原子(如N或S原子)取代后，其物理化学性质得到有效的调控。

目前，制备掺杂石墨烯的方法主要包括气相沉积法、水热法、高温热解法、回流法等。然而，这些方法反应时间长、温度高、能耗大、生产成本高，不利于实际规模化运用。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波法制备N,S共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法，解决了现有技术的制备方法反应时间长、温度高、能耗大、生产成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种微波法制备N,S共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法，按照以下步骤实施：

1)利用Hummers法制备得到氧化石墨；

2)将步骤1)所得的氧化石墨与硫脲按照质量比1：1～6进行球磨混合，球磨时间为0.5～1小时；

3)将步骤2)所得的混合物置于小烧杯中，然后将小烧杯放入盛有活性碳的大烧杯中，在氮气气氛下置于微波反应器中进行微波加热，得到N,S共掺杂石墨烯；

4)将步骤3)所得N,S共掺杂石墨烯分散在硫代硫酸钠水溶液中，硫代硫酸钠水溶液的浓度为15～45g/L，使N,S共掺杂石墨烯在硫代硫酸钠溶液中的浓度为8.3～25g/L；用盐酸进行化学沉积法覆硫，盐酸浓度为1M；然后进行抽滤、洗涤后，将产物在45～60℃烘干20～30小时；

5)将步骤4)所得产物进行热处理，得到N,S共掺杂石墨烯/硫正极材料。

本发明的有益效果是，主要从加热方式上对传统制备掺杂石墨烯材料的工艺进行了改进。微波加热不同于传统加热，微波加热时，碳材料吸收微波，微波能量通过转化为热能，在这个过程中，热从材料内部产生而不是从外部吸收热源，自身整体同时升温，热能利用率高，材料整体温度梯度很小。本发明方法快速高效，工艺简单，操作方便，可行性高，所制备的N,S共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料表现出优异的电化学性能。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的N,S共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的X-射线衍射(XRD)图谱，其中横坐标为衍射角(2θ)，单位为度，纵坐标为衍射强度，单位为cps；

图2为本发明实施例1制备的N,S共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料在室温0.1C倍率下的充放电曲线，其中横坐标为放电比容量，单位为mAh/g，纵坐标为电压，单位为V。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

天然石墨经氧化插层处理后，层间距增大，用微波加热后，层间的官能团和硫脲分解成气体，含氧官能团的脱去提供活性位点，硫脲分解产物接触这些活性位点形成化学键，杂原子嵌入到石墨烯晶格中，氧化石墨还原为石墨烯。本发明的方法，按照以下步骤实施：

1)利用Hummers法制备得到氧化石墨；(Hummers法是现有公开的方法，在此不再细述)；