一种正极材料的制备方法及其应用与流程

本发明属于电池材料领域，具体涉及一种正极材料的制备方法及其应用。

背景技术：

1、在这个快速发展的技术社会中，低成本和环境友好的储能系统是非常必要的。研究人员热衷于寻找一种清洁和可持续的替代品来满足能源需求。

2、可充电锂离子电池是其中之一，因为其体积和重量能量密度高。目前，锂离子电池对于笔记本电脑和手机等电子产品来说已经足够好了，但就电动汽车而言，锂离子蓄电池需要进一步提升。因此，需要开发一种高容量的阴极材料。锂离子电池中的硫基正极材料无疑是电子汽车和航空的合适选择，因为其理论比容量约为1675 mahg-1，能量密度为2567whkg-1。

3、硫基阴极材料除了是一种低成本、环保的材料外，还存在需要解决的问题，包括循环过程中的高体积膨胀、多硫化物在电解质中的溶解及其在基材上的沉积。关于这些关键问题，研究者们正在对电池的不同方面进行大量研究，如捕获硫化锂的隔膜、限制硫导电性差性质的阴极导电主体、通过将硫嵌入多孔碳基体来限制多硫化物以及金属有机框架等。硫和硫化锂的绝缘性质限制了硫在阴极中的充分利用，因此我们经常尝试开发一种导电碳材料，以促进阴极中的电子传导。在导电碳材料中，石墨烯无疑是一种非常迷人的材料，它给我们带来了各种优势，如良好的导电性和结构支撑，因此我们可以添加另一种类型的材料，如碳纳米管、炭黑、金属氧化物等。这种组合将进一步提高给定阴极材料的性能。

4、在考虑了各种类型的碳硫复合材料后，我们发现石墨烯-硫复合材料是这些硫基阴极的关键因素。研究发现，对碳材料极性的提升，尤其是担载高效的多硫化物催化剂对电池的稳定性大大提升。通过表面改性及异质原子掺杂等手段可使碳基体产生化学活性位点，改善界面吸附能力，提高材料的物理化学性能。lin 等人（lin t , chen iw , liu f ,et al.. science, 2015, 350(6267):1508-1513.）在 science 上报道了一种氮（n）掺杂的有序中孔薄层碳可有效提升碳基超级电容器的放电速率及导电率，有力地证实了氮 掺杂可以将惰性石墨烯层状碳转化为电化学活性物质。异质原子掺杂的方法在电池领域也得到了应用。tang 等人（tang ty, zhang t, li w, et al. nanoscale, 2019, 11(15):7440-7446）制备了一种介孔氮掺杂石墨烯电极，氮掺杂在石墨烯中建立强化学吸附位点，增强了基体与多硫化锂的相互作用，有效地限制了穿梭效应，实现了高性能。

5、另外，氧化石墨烯对于石墨烯而言，增加了许多含氧基团，这些含氧基团的存在会提高石墨烯碳材料的极性，有利于吸附极性的多硫化物，缓解穿梭效应的影响。因此，开发一种富氧化氧化石墨烯/硫复合材料具有更重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种富氧化石墨烯（go）的制备方法。本发明以氧化石墨烯为前驱体，通过氧化反应制备富氧化氧化石墨烯/硫复合材料。以过氧化氢为氧化剂，在不同氧化时间下进行处理，氧化过程中产生含氧量不同程度的氧化石墨烯材料。再将其与硫通过熔融扩散法复合，制备氧化石墨烯/硫复合材料。对不同氧化时间下处理的氧化石墨烯进行表征测试，探究氧化时间对氧化石墨烯结构和性能的影响，并将该材料作为硫载体应用于电池正极，研究其电化学性能。

2、本发明所提供的富氧化石墨烯（go）的制备方法，包括如下步骤：

3、（1）制备石墨烯水悬浮液；

4、（2）将过氧化氢溶液与所述石墨烯水悬浮液搅拌均匀，再将混合液加热搅拌，之后离心去除多余杂质，收集固体，经过洗涤、离心、干燥，得到go样品。

5、上述方法步骤（1）中，优选地，所述石墨烯水悬浮液的固含量为0.1%-0.3%。

6、上述方法步骤（1）中，所述石墨烯水悬浮液的制备方法具体如下：取石墨烯置于去离子水中搅拌，再将上述溶液超声，得到石墨烯水悬浮液。

7、优选地，所述搅拌的时间＞10 min，所述超声的时间＞10 min。

8、上述方法步骤（2）中，优选地，所述过氧化氢溶液的质量分数为10%-40%；

9、上述方法步骤（2）中，优选地，所述过氧化氢溶液与所述石墨烯水悬浮液中石墨烯的配比为（2-20）ml：100 mg。

10、上述方法步骤（2）中，优选地，所述加热的温度为95℃-110℃，加热时间为0.5h-5h，进一步可为1h-3h，优选为2h-3h。

11、上述方法步骤（2）中，优选地，所述加热采用油浴加热。

12、上述方法步骤（2）中，优选地，所述洗涤是采用去离子水洗涤。

13、上述方法步骤（2）中，优选地，所述干燥是置于40-80℃箱干燥过夜。

14、上述方法制备得到的富氧化石墨烯材料也属于本发明的保护范围。

15、本发明还提供了富氧化石墨烯材料在电池中的应用。

16、本发明还提供了一种富氧化石墨烯/硫复合材料。

17、本发明所提供的富氧化石墨烯/硫复合材料，是由本发明上述的富氧化石墨烯材料和硫混合后反应得到的。

18、优选地，所述富氧化石墨烯材料和硫的投料质量比3：(7-10)。

19、优选地，所述硫为升华硫。

20、优选地，所述反应的条件为：140-170℃下反应6-20h；所述反应在惰性气氛下进行。

21、本发明还提供了一种电池用的正极极片。

22、本发明所提供的电池用的正极极片，包括本发明上述的富氧化石墨烯/硫复合材料。

23、进一步地，所述正极极片包括集流体以及涂覆在所述集流体上的正极材料层，所述正极材料层包括：所述富氧化石墨烯/硫复合材料、导电剂以及粘结剂；

24、更进一步地，所述集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池正极集流体的材料，例如，铝箔。

25、所述导电剂可以是本领域各种适用于作为锂离子电池正极导电剂的材料，例如，所述导电剂可为导电炭黑、碳纳米管中的至少一种；

26、所述粘结剂为水性粘结剂，具体如la133水性粘结剂。

27、具体地，所述正极材料层由富氧化石墨烯/硫复合材料、导电炭黑、碳纳米管和水性粘结剂依次按照质量比为60-90：5-20：2-10：2-10的比例组成。

28、本发明还提供了一种电池。

29、本发明所提供的电池，包括正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔膜以及电解液，其中，所述正极片为本发明上述提供的正极极片。

30、具体地，所述电池中电解液由双三氟甲磺酰亚胺锂（litfsi）/lino3/乙二醇二甲醚（dme）/1,3-二氧戊环（dol）依次按照质量比为12-20：1-5：20-45：30-50的比例混合而成。

31、本发明通过一种过氧化氢为氧化剂的氧化反应处理石墨烯，得到了一种富氧化石墨烯并将其应用于电池硫正极载体，实现了有效抑制穿梭效应，进一步提高了电池电化学性能。

32、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

33、（1）本发明富氧化所涉及到的流程简易，操作简单，工艺成熟，且含氧量高达30%以上；

34、（2）该体系中，富氧化石墨烯材料的制备过程中未涉及到有害物质，实现了环保；

35、（3）该体系在高硫载量情况下，仍然得到了电池优异的电化学性能，在1.0 a g-1的电流密度下，100次循环之后其放电容量高达1000 mah g-1以上，平均充放电效率也高达99%以上。基于该设计理念为今后电池载硫体碳材料的选择和应用提供设计思路和参考作用。

技术特征：

1.一种富氧化石墨烯（go）的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述石墨烯水悬浮液的固含量为0.1%-0.3%；

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述过氧化氢溶液的质量分数为10%-40%；

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述加热的温度为95℃-110℃，加热时间为0.5h-5h；

5.权利要求1-4中任一项所述方法制备得到的富氧化石墨烯。

6.一种富氧化石墨烯/硫复合材料，其特征在于：所述复合材料是由权利要求5所述的富氧化石墨烯材料和硫混合后反应得到的。

7.根据权利要求6所述的富氧化石墨烯/硫复合材料，其特征在于：所述富氧化石墨烯材料和硫的投料质量比3：(7-10)；

8.一种电池用的正极极片，其特征在于：包括权利要求6或7所述的富氧化石墨烯/硫复合材料。

9.根据权利要求8所述的电池用的正极极片，其特征在于：所述正极极片包括集流体以及涂覆在所述集流体上的正极材料层，所述正极材料层包括：权利要求6或7所述的富氧化石墨烯/硫复合材料、导电剂以及粘结剂；

10.一种电池，包括正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔膜以及电解液，其特征在于：所述正极极片为权利要求8或9所述的正极极片。

技术总结
本发明公开了一种正极材料的制备方法及其应用。本发明通过过氧化氢为氧化剂的氧化反应处理石墨烯，实现富氧化石墨烯的制备，并将其应用于电池硫正极载体，实现了有效抑制穿梭效应，进一步提高了电池电化学性能。基于该设计理念为今后电池载硫体碳材料的选择和应用提供设计思路和参考作用。

技术研发人员：孔钊
受保护的技术使用者：合肥国轩高科动力能源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23