[发明专利]一种锂硫电池正极用纳米级复合材料及其制备方法

说明书

一种锂硫电池正极用纳米级复合材料及其制备方法，本发明的制备方法是以聚苯乙烯为模板并掺杂氧化石墨烯合成氧化石墨烯包覆的八硫化五钒纳米球，再以石墨烯包覆的八硫化五钒纳米球为基底，固相载硫制备得到纳米多孔三维分层结构的硫/八硫化五钒/氧化石墨烯复合锂硫电池正极材料。本发明的制备方法新颖，丰富的多孔结构克服了常见的锂硫电池正极材料中硫的负载量低且不均匀的问题，石墨烯的引入不仅可以提升材料的导电性，还可用于制备体积膨胀小的锂硫电池正极材料，采用该正极材料组装出的锂硫电池表现出良好的循环性能和容量保持率。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体涉及一种纳米级硫/八硫化五钒/石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

当今世纪，能源和环境作为人类重点关注的热点问题持续白热化，大力发展新能源和可再生能源是人类当前能源工作的首要任务。由于锂离子电池拥有高能量密度的优势，以锂离子电池为代表的绿色和环保的二次储能器件受到了人们广泛的关注并被广泛用于便携式电源、可穿戴设备、储能电站和交通运输等方面。然而，传统的锂离子电池由于受到正极材料和负极材料比容量的限制，远不能满足人们对于高能量密度储能器件的需求。因此，开发新的高能锂电池正极材料种类或电池体系来满足人们的对于高能量密度的需求显得尤为重要。

锂硫电池是以单质硫为正极、金属锂为负极的可充电电池体系。由于其超高的理论比容量(1670mAh·g^-1)和理论能量密度(2600·Wh kg^-1),锂硫电池己经引起了很大的关注。同时，其正极材料硫作为石油精炼的副产品和硫矿中的直接提取物，具有资源丰富和环境友好的优点，是最具发展潜力的高能量二次电池之一，有利于可持续发展。

但是，在锂硫电池的实用化进程中，存在硫利用率不高、库伦效率低、循环寿命短等难题，主要原因是其存在一些固有的缺陷和基本问题，主要包括S正极、多硫化锂的绝缘性引起活性物质的有效利用率低；中间产物多硫化锂在充放电过程中穿梭效应严重造成活性组分流失；循环过程中活性物质的巨大体积变化破坏电极结构等亟待解决的问题。因此，改进锂硫电池正极材料的微观结构、提高正极材料中活性物质负载量和利用率，是有效改善锂硫电池的循环性能，提高锂硫电池正极材料电化学性能的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种锂硫电池正极用纳米级硫/八硫化五钒/石墨烯复合材料及其制备方法，利用八硫化五钒对多硫离子的化学吸附、石墨烯对活性物质导电性能改善及三维多孔结构可容纳循环过程中正极材料的膨胀的协同作用，设计制备了具有特殊结构的硫/八硫化五钒/ 石墨烯三元复合材料，用来改善锂硫电池电化学性能。本公开的制备方法简单，制备过程安全，能耗低且可操作性强。

一种锂硫电池正极用纳米级复合材料，所述纳米级复合材料为负载硫的纳米级硫/八硫化五钒/石墨烯复合材料，所述纳米级复合材料是以聚苯乙烯小球为模板制备所得，所述纳米硫/八硫化五钒/石墨烯复合材料具有多孔三维分层结构。

优选的，所述纳米级硫/八硫化五钒/石墨烯复合材料中，硫的质量百分含量为70％～80％。

优选的，所述合成的聚苯乙烯小球模板中聚苯乙烯小球的直径为100～500nm；

优选的，所述纳米级硫/八硫化五钒/石墨烯复合材料中，或负载硫的八硫化五钒的直径为100～500nm；

优选的，所述制备方法包括以下具体步骤：

(1)合成聚苯乙烯小球为模板，加入偏钒酸铵与氧化石墨烯，冷冻干燥后的物料为前驱体，与硫一起进行热处理获得八硫化五钒/石墨烯复合材料；

(2)将八硫化五钒/石墨烯复合材料与固态硫粉混合均匀，使得硫在加热至熔融后，熔融后的硫扩散分布在纳米八硫化五钒之间的介孔孔道内获得所述硫 /八硫化五钒/石墨烯纳米复合材料。