微波法制备n,s共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法

文档序号:9845695
微波法制备n,s共掺杂石墨烯锂硫电池正极材料的方法
【技术领域】
[0001 ]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共掺杂石墨稀锂硫 电池正极材料的方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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 具有更尚的比表面积和更为优异的导电性能。因此,可以将石墨稀与硫复合,有效地提尚锂· 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。
[0005] 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】

[0006] 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。
[0007] 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:
[0008] 1)利用Hummers法制备得到氧化石墨;
[0009] 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;
[0010] 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;
[0011] 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IM;然后进行抽滤、洗涤后,将产物在45~60°C烘干 20~30小时;
[0012] 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。
[0013] 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】
[0014] 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;
[0015]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0.1 C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】
[0016] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0017] 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:
[0018] 1)利用Hummers法制备得到氧化石墨;(Hmnmers法是现有公开的方法,在此不再细 述);
[0019] 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;
[0020] 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,微波功率为400~800W,反应时间为0.5 ~10分钟,得到N,S共掺杂石墨烯;
[0021] 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IM;然后进行抽滤、洗涤后,将产物在45~60°C烘干 20~30小时;
[0022] 5)将步骤4)所得产物进行热处理,热处理温度为155~160°C,得到N,S共掺杂石墨 稀/硫正极材料。
[0023] 实施例1
[0024] 利用Hummers法制备氧化石墨,将氧化石墨与硫脲以1:3质量比混合球磨0.5小时 后置于微波反应器中,氮气气氛下微波功率800W进行加热,反应1分钟得到N,S共掺杂石墨 烯。将0.5g N,S共掺杂石墨烯分散在硫代硫酸钠水溶液(最终浓度为15g/L)中,用IM盐酸进 行化学沉积法覆硫,然后进行抽滤,洗涤至中性,将产物在60°C烘干30小时,在158°C热处 理,得到N,S共掺杂石墨烯/硫正极材料。
[0025] 实施例2
[0026 ] 利用Hrnnmer s法制备氧化石墨,将氧化石墨与硫脲以1:4质量比混合球磨0.7 5小时 后置于微波反应器中,氮气气氛下微波功率500W进行加热,反应6分钟得到N,S共掺杂石墨 烯。将0.67g的N,S共掺杂石墨烯分散在硫代硫酸钠水溶液(最终浓度为20g/L)中,用IM盐酸 进行化学沉积法覆硫,然后进行抽滤,洗涤至中性,将产物在50°C烘干24小时,在155 °C热处 理,得到N,S共掺杂石墨烯/硫正极材料。
[0027] 实
再多了解一些
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