[发明专利]一种硫-活性炭/石墨烯复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种硫‑活性炭/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）生物质原料预处理；（2）预处理过的生物质原料与石墨烯和活化剂混合，形成固体混合物料；（3）固体混合物料经活化、洗涤、固液分离、干燥，得到活性炭/石墨烯复合材料；（4）活性炭/石墨烯复合材料与硫复合，得到硫‑活性炭/石墨烯复合材料。本发明提供的复合材料的工艺制备过程步骤简单，效率高，能耗低，并可实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种硫-活性炭/石墨烯复合材料的制备方法，属于电化学储能领域。

背景技术

随着空间技术、移动通信、导弹、航空航天等领域的飞速发展以及现代人们对能源危机和环境保护问题的日益关注, 高能量密度的锂二次电池的研究和开发引起了人们广泛的兴趣（Inorg. Chem. Front., 2015, 2, 1059）。锂硫电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系之一。单质硫与锂反应的理论比容量为1675 mAh g-1, 质量比能量达2600 Wh kg-1, 远远高于现行的传统锂离子二次电池材料。同时硫又具有来源丰富、环境友好等优点。虽然锂硫电池有着远大于商业化二次电池的能量密度, 但是实际过程中锂硫二次电池存在着活性物质利用率低、倍率性能差、电池寿命短等多方面的问题,从而制约了其广泛推广与应用（Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6351）。

石墨烯是一种由具有sp²杂化轨道的碳原子构成的单层片状结构材料, 是目前最薄却也是最坚硬的纳米材料, 其特殊的物理性能, 为碳材料改性锂硫电池提供了一个很好的途径。尽管石墨烯良好的导电性可有效提高单质硫的利用率，但其较大的比表面积导致硫与电解液的直接接触, 造成活性物质的溶解。从而产生飞梭效应影响电池的循环寿命。活性炭材料提供了一种简单、有效的解决方法. 其特殊的孔结构, 不仅为单质硫提供负载场所, 而且其较强的毛细吸附作用可有效抑制多硫化物的溶解（Journal of EnergyChemistry 2013, 22, 214, CN201310659172.5, CN201410476466.9,CN201180036690.0）。

在能源危机的大背景下，常规活性炭原料木材、煤炭等已逐渐退出历史舞台，取而代之的是具有价格低廉、资源丰富、安全可再生等特性的生物质材料。以生物质资源为原料来制备活性炭，一方面在很大程度上降低了活性炭的成本；另一方面也使农作物残体得到了资源化利用，同时避免了无组织焚烧带来的环境问题。因此，近年来生物质活性炭的制备和应用受到了广泛的关注（CN201410729808.3, CN201610373129.6）。

活性炭的制备方法分为三种：物理活化法、化学活化法以及物理-化学联合活化法。物理活化法是先将材料炭化，然后向载有碳化产物的炉子中通入氧化性气体如二氧化碳、水蒸气、空气或其混合气体，再在较高温度下活化即得到活性炭产品。从实际投产角度考虑，化学活化法具有不可取代的地位，化学活化方法中炭化和活化是同时进行的，活化剂通常为 KOH、NaOH、ZnCl₂、K₂CO₃和 H₃PO₄等。如果能以来源丰富，价格低廉，可再生的农林废弃物为原料制备活性炭/石墨烯复合材料，再与硫复合得到可以用于锂硫电池的硫-活性炭/石墨烯复合材料，便有可能实现含硫-活性炭/石墨烯复合材料大规模商业化生产及应用（CN201410729808.3）。

发明内容

本发明旨在提供一种简单、易于操作和控制、成本低、效率高、质量好的硫-活性炭/石墨烯复合材料的制备方法。该方法原料廉价易得、来源丰富、可再生，满足工业化生产要求。

如上所述的一种硫-活性炭/石墨烯复合材料的组成为：硫含量10 wt% 到90 wt%（10 – 90 wt%），活性炭/石墨烯复合材料的含量10 wt%到90 wt%（10 – 90 wt%）；