[发明专利]三维氮掺杂石墨烯@β环糊精@硫复合材料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种三维氮掺杂石墨烯@β环糊精@硫复合材料、制备方法及其应用，将三维氮掺杂石墨烯置于β‑环糊精饱和溶液中超声处理后浸泡形成三维氮掺杂石墨烯@β环糊精复合材料，再与升华硫混合研磨进行反应，氮气保护下高温煅烧得所述的复合材料。本发明制备方法简单，操作简便，制备的复合材料具有较高的硫含量，并且硫纳米颗粒均匀分散在石墨烯上，且由于β‑环糊精独特的性能，使其吸附多硫化物时能有效的阻止多硫化物流向电解液，因而可以达到提高电池的库伦效率与循环稳定性的效果。

技术领域

本发明属于化学电池制备技术领域，具体涉及一种三维氮掺杂石墨烯@β环糊精@硫复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

随着化石燃料的日益枯竭及其燃烧所带来的日益严重的环境问题，迫切需要寻找新型能源，同时手机、笔记本电脑、数码相机等便携式设备和电动汽车的快速发展，可多次充放电的二次电池得到了广泛应用。其中，出现于20世纪90年代的锂离子二次电池是目前世界上公认的新一代化学电源，已成功商品化并在便携式设备领域中飞速发展。但在电动汽车、航空航天和国防装备等领域，目前商品化锂离子二次电池受限于能量密度，已远不能满足技术发展的需求。因此，需要急切研究开发具有更高能量密度、更长循环寿命、低成本和环境友好等特征的新型化学电源。

其中以金属锂为负极，单质硫为正极材料的锂硫二次电池（简称锂硫电池），其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1672mAh·g^-1和2600Wh/kg，目前锂硫电池的实际能量密度已达到390Wh/kg，远高于其他LiFeO₄、LiMn₂O₄等商业化的电极材料。

锂硫电池在放电过程中，单质硫被还原为S^-2的过程中会有多个中间态生成，其中Li₂Sn (4≤n≤8)易溶于有机电解液，从正极向负极扩散，随着放电的进行，最终在负极生成Li₂S沉积下来，而Li₂S不溶于有机电解液，造成锂硫电池循环性差、库仑效率低、自放电率高等问题，延缓了其实用化的步伐。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备成本低廉、设备要求简单、导电性较好、循环稳定性较好的锂硫电池正极材料——三维氮掺杂石墨烯@β环糊精@硫的复合材料（3D-N-rGO@β-CD@S）。

实现本发明目的的技术方案是：一种三维氮掺杂石墨烯@β环糊精@硫复合材料及其制备方法，包括如下步骤：

将三维氮掺杂石墨烯（3D-N-rGO）置于β-环糊精（β-CD）饱和溶液中超声处理后浸泡形成三维氮掺杂石墨烯@β环糊精（3D-N-rGO@β-CD）复合材料，再与升华硫混合研磨进行反应，氮气保护下高温煅烧得所述的3D-N-rGO@β-CD@S复合材料。

进一步的，所述的三维氮掺杂石墨烯@β环糊精与升华硫的质量比为8:39。

进一步的，三维氮掺杂石墨烯中氮掺杂量为7.8%~8.2%。

进一步的，超声处理时间为半个小时。

进一步的，浸泡时间为24小时。

进一步的，高温煅烧温度为155±5℃，煅烧时间为20小时。

上述三维氮掺杂石墨烯@β环糊精@硫复合材料作为锂硫电池正极材料的应用。

与现有技术相比，本发明工艺的优点是：（1）制备方法简单，操作简便，制备得到的3D-N-rGO@β-CD@S复合材料具有较高的硫含量，并且硫纳米颗粒均匀分散在石墨烯上。（2）由于β-环糊精独特的性能，使其吸附多硫化物时能有效的阻止多硫化物流向电解液，因而可以达到提高电池的库伦效率与循环稳定性的效果。

附图说明

图1 为本发明制备的3D-N-rGO材料的宏观图。