本發(fā)明屬于電化學(xué)電池領(lǐng)域，具體涉及一種高比能柔性一體化電極及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋰硫電池以其環(huán)境友好、價(jià)格低廉、質(zhì)量比能量高、比容量高等優(yōu)點(diǎn)成為下一代高比能鋰電池的杰出代表。世界各國(guó)投入大量人力、物力對(duì)其進(jìn)行大量的研究并取得一系列研究成果和技術(shù)突破。

然而，目前仍有一些問(wèn)題嚴(yán)重影響著鋰硫電池的批量化應(yīng)用：（1）單質(zhì)硫室溫下為絕緣體，離子導(dǎo)電性也差；（2）電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)產(chǎn)物多硫化鋰(Li₂S_x,x>2)溶于電解液并擴(kuò)散到負(fù)極與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，即“穿梭反應(yīng)”，使活性物質(zhì)損失，金屬鋰腐蝕，此外造成效率下降；（3）最終反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)i₂S為絕緣的不溶性物質(zhì)，而且包覆在電極表面，使電極性能惡化、循環(huán)性能降低；（4）在充放電過(guò)程中物種的不斷變化（S₈ ?Li₂S_x(2≤x≤8)?Li₂S），將會(huì)造成體積膨脹和收縮，從而使電極結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響循環(huán)性能。因此，如何克服上述這些缺點(diǎn)或者抑制、阻緩不利的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生成為單質(zhì)硫電極應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前，改善鋰硫電池的方法主要有：（1）優(yōu)化硫正極結(jié)構(gòu)；（2）開(kāi)發(fā)新型電解液及添加劑；（3）進(jìn)行金屬鋰的保護(hù)。而現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)在于單質(zhì)硫電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：用導(dǎo)電性良好的、比表面積大的碳基材料或者聚合物，使用的碳基材料主要有微孔碳、介孔碳、多孔碳、碳納米管、碳纖維和石墨烯等，聚合物主要為PAN、PPy、PANi等（《能源環(huán)境科學(xué)》（Energy Environ. Sci.），2011, 4, 736 – 740；《材料化學(xué)雜志A》（J. Mater. Chem. A），2013, 1, 1716 – 1723；《英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)雜志進(jìn)展》（RSC Adv.），2012, 2, 5927 - 5929；《納米快報(bào)》（Nano Lett.）2011, 11, 2644 - 2647；《歐洲化學(xué)雜志》（Chem. Eur. J.）2013, 19, 8621 - 8626）。這些碳基材料或聚合物材料與硫的復(fù)合在很大程度上提高了活性物質(zhì)硫的利用率和電極的循環(huán)性能，但是這些復(fù)合材料的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度有限，需要金屬集流體作支撐，同時(shí)還需要添加粘結(jié)劑，極大增加了電極的質(zhì)量，勢(shì)必影響鋰硫電池的高比能特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高比能柔性一體化電極及其制備方法，該電極解決了已有技術(shù)的含硫的正極在提高硫利用率的同時(shí)需要金屬集流體作支撐，還需要添加粘結(jié)劑，使電極的高比能特性降低的問(wèn)題，能夠在提高硫的利用率的同時(shí)，能夠顯著提高鋰硫電池的高比能特性和循環(huán)穩(wěn)定性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種高比能柔性一體化電極，該電極由以下質(zhì)量百分比的材料組成：石墨烯20%~80%、導(dǎo)電碳黑0~10%、含硫材料10%~80%，其中所述的導(dǎo)電碳黑的含量不為0。

其中，所述的石墨烯和導(dǎo)電碳黑組成柔性石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜。

其中，所述的含硫材料為單質(zhì)硫或含-S_m-，m ＞2結(jié)構(gòu)的多硫化物。

所述的導(dǎo)電碳黑為乙炔黑、super-P、碳纖維、碳納米管、科琴黑、活性炭和多孔碳中的一種或兩種以上。

所述的單質(zhì)硫?yàn)榻Y(jié)晶硫、無(wú)晶態(tài)硫或膠體硫中的一種或兩種以上。

所述的結(jié)晶硫?yàn)樯A硫或微晶硫。

所述的電極的厚度為5μm～100μm。

本發(fā)明還提供了所述的高比能柔性一體化電極的制備方法，該制備方法為一步法或分步法。

所述的一步法具體步驟如下：

將氧化石墨烯、導(dǎo)電碳黑、含硫材料在水溶液中均勻分散，在真空下通過(guò)層層自組裝方法得到硫/石墨烯/導(dǎo)電碳黑高比能柔性一體化電極。

所述的分步法具體步驟如下：

第一步：將氧化石墨烯、導(dǎo)電碳黑混合均勻，通過(guò)真空抽濾實(shí)現(xiàn)層層沉積，得到柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜；

第二步：以柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜為載體，將硫在載體的孔隙和表面沉積，使含硫材料與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜進(jìn)行復(fù)合，在復(fù)合過(guò)程中氧化石墨烯變化為石墨烯，得到硫/石墨烯/導(dǎo)電碳黑高比能柔性一體化電極。

所述的含硫材料與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜的復(fù)合方法為原位溶液沉淀法、熔融復(fù)合法、真空熱復(fù)合法或溶劑交換法一種或一種以上的聯(lián)合方法。

將硫在載體的孔隙和表面沉積時(shí)，在所述的含硫材料與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜的上表面和下表面之間含有隔離層，使所述的含硫材料與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜組裝成層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合。

所述的隔離層為多孔的、耐高溫的網(wǎng)狀隔離物。

所述的隔離物為泡沫鎳、泡沫鋁或碳紙中的任意一種或兩種以上。

本發(fā)明提供的一種高比能柔性一體化電極，該電極解決了在提高硫利用率的同時(shí)不降低電極的高比能特性的問(wèn)題，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的高比能柔性一體化電極無(wú)需添加劑，有效提高了電極中硫的含量；該電極不僅具有高的電導(dǎo)率，而且具有強(qiáng)的機(jī)械性能，能夠有效緩解充放電過(guò)程中活性材料的體積膨脹，從而提高電池的循環(huán)性能；該電極組裝的鋰硫電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性能和高比能特性；本發(fā)明制備高比能柔性一體化電極的方法簡(jiǎn)單，能夠調(diào)控電極的柔韌性和電極厚度，使制備的電極具有優(yōu)異的柔韌性。

附圖說(shuō)明

圖1 為本發(fā)明實(shí)施例1的柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜的光學(xué)圖像。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的制備示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的放電曲線(xiàn)圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的循環(huán)穩(wěn)定曲線(xiàn)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明提供的一種高比能柔性一體化電極，該電極由以下質(zhì)量百分比的材料復(fù)合：石墨烯20%~80%、導(dǎo)電碳黑0~10%、含硫材料10%~80%，其中導(dǎo)電碳黑的含量不為0。

其中，所述的石墨烯和導(dǎo)電碳黑組成柔性石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜。該柔性石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜能夠緩沖活性物質(zhì)硫在充放電過(guò)程中的體積膨脹，提高電極的循環(huán)性能。該支撐薄膜中的導(dǎo)電碳黑與石墨烯形成三維的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高了該電極的倍率性能。

其中，含硫材料為單質(zhì)硫或含-S_m-，m ＞2結(jié)構(gòu)的多硫化物。單質(zhì)硫?yàn)榻Y(jié)晶硫、無(wú)晶態(tài)硫或膠體硫中的一種或兩種以上。結(jié)晶硫?yàn)樯A硫或微晶硫。

其中，含硫材料是以顆粒狀態(tài)均勻的分散在柔性石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜的表面和孔隙中。

導(dǎo)電碳黑為乙炔黑、super-P（超導(dǎo)碳黑）、碳纖維、碳納米管、科琴黑、活性炭和多孔碳中的一種或兩種以上。

該電極的厚度為5μm～100μm。

該電極作為電池的正極，金屬鋰、鋰合金、摻鋰的碳、摻鋰的硅碳或石墨中的一種或多種作為電池的負(fù)極，具有多層復(fù)合的PP/PE（聚丙烯/聚乙烯）、玻璃纖維隔膜、涂層隔膜中的一種或幾種作為電池的隔膜，液體有機(jī)電解質(zhì)、膠體聚合物電解質(zhì)、固態(tài)聚合物電解質(zhì)中的一種或多種作為電池的電解質(zhì)，由上述正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)四個(gè)部分組成了鋰硫電池。

本發(fā)明還提供了該高比能柔性一體化電極的制備方法，其制備方法包括：

一步法，具體步驟如下：

將氧化石墨烯、導(dǎo)電碳黑、含硫材料在水溶液中均勻分散，在真空下通過(guò)層層自組裝方法得到硫/石墨烯/導(dǎo)電碳黑高比能柔性一體化電極。層層自組裝方法是指不同的材料通過(guò)靜電作用吸附到一起，形成具有多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

分步法，具體步驟如下：

第一步：將氧化石墨烯、導(dǎo)電碳黑混合均勻，通過(guò)真空抽濾實(shí)現(xiàn)層層沉積，得到柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜，如圖1所示，將得到柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜制成圓形；

第二步：如圖2所示，以柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜1為載體，在載體的上層和下層均與含硫材料2進(jìn)行復(fù)合，在復(fù)合過(guò)程中含硫材料2與載體的上表面和下表面之間以多孔的、耐高溫的網(wǎng)狀隔離物作為隔離層3，在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，氧化石墨烯表面的官能團(tuán)減少，因此得到還原石墨烯，簡(jiǎn)稱(chēng)為石墨烯，柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜1變化為柔性石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜，將硫在載體的孔隙和表面沉積，得到硫/石墨烯/導(dǎo)電碳黑高比能柔性一體化電極。多孔的、耐高溫的網(wǎng)狀物質(zhì)為泡沫鎳、泡沫鋁或碳紙中的任意一種或兩種以上。

其中，含硫材料與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜的復(fù)合方法為原位溶液沉淀法、熔融復(fù)合法、真空熱復(fù)合法或溶劑交換法一種或一種以上的聯(lián)合方法。

原位溶液沉淀法：是指利用化學(xué)反應(yīng)原位生成硫，并在柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜表面沉積，此方法在溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為0～150℃，反應(yīng)時(shí)間為1～6h。

熔融復(fù)合法：是指利用升高溫度將硫液化或氣化，在惰性氣體保護(hù)下與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜進(jìn)行復(fù)合，反應(yīng)溫度為100～300℃，反應(yīng)時(shí)間為1～10h。

真空熱復(fù)合法：是指利用真空度在密閉的環(huán)境內(nèi)部進(jìn)行復(fù)合，反應(yīng)溫度為100～400℃，反應(yīng)時(shí)間為1～10h，真空度為0.1～10mmHg。

溶劑交換法：是指將硫溶解在溶劑中，然后添加另一種溶劑，利用溶解度的差異，將硫與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜進(jìn)行復(fù)合。

實(shí)施例1

硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的一種制備方法。

分步法，具體步驟如下：

第一步：取15 mg氧化石墨烯分散于30mL去離子水中，超聲2h，得到均勻的分散液，添加1mg 碳納米管，繼續(xù)超聲0.5h，通過(guò)真空抽濾實(shí)現(xiàn)層層沉積，如圖1所示，得到柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜，該薄膜可以彎折60°，甚至90°仍不會(huì)被折斷，表明該自支撐薄膜具有好的柔韌性；

第二步：以柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜為載體，泡沫鎳為隔離層，采用熔融復(fù)合法，在惰性氣體保護(hù)下300℃加熱6h，使單質(zhì)硫氣化，下層的單質(zhì)硫由下而上擴(kuò)散經(jīng)過(guò)柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜，使單質(zhì)硫進(jìn)一步擴(kuò)散并沉積到自支撐薄膜的孔隙及表面，實(shí)現(xiàn)柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜與單質(zhì)硫的復(fù)合，最終得到硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極。

如圖3所示，硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的放電曲線(xiàn)，第1、2、3、5、9、11次放電下，電極的放電容量和電壓的變化，電極的首次放電容量高達(dá)1662 mAh/g，接近硫的理論容量1672 mAh/g。

如圖4所示，硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的循環(huán)穩(wěn)定曲線(xiàn)，由該電極作為正極和金屬鋰作為負(fù)極組裝的鋰硫電池，在常溫下放電，該鋰硫電池的首次比容量高達(dá)1600mAh/g，表明該電池具有優(yōu)良的循環(huán)性能，在經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，該鋰硫電池的放電比容量還能達(dá)到1100mAh/g，表明該電池還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

實(shí)施例2

硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的另一種制備方法。

分步法，具體步驟如下：

第一步與實(shí)施例1相同；

第二步：將單質(zhì)硫溶于二硫化碳，采用溶劑交換法，將第一步得到的柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐浸泡在硫/二硫化碳溶液中10h，使含硫材料與柔性氧化石墨烯/導(dǎo)電碳黑自支撐薄膜進(jìn)行復(fù)合，然后取出烘干，得到硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極。

實(shí)施例3

聚丙烯腈/硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的制備方法。

一步法，具體步驟如下：

取15 mg氧化石墨烯分散于30mL去離子水中，超聲2h，得到均勻的分散液，然后添加1mg 碳納米管，60mg聚丙烯腈/硫復(fù)合材料，繼續(xù)超聲1h，通過(guò)真空抽濾實(shí)現(xiàn)層層沉積，最終得到聚丙烯腈/硫/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極。

實(shí)施例4

硫碳/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極的制備方法。

一步法，具體步驟如下：

取10 mg氧化石墨烯分散于20mL去離子水中，超聲2h，得到均勻的分散液，然后添加1mg 碳納米管，50mg硫碳復(fù)合材料，繼續(xù)超聲1h，通過(guò)真空抽濾實(shí)現(xiàn)層層沉積，最終得到硫碳/石墨烯/碳納米管高比能柔性一體化電極。

實(shí)施例5

聚丙烯腈/硫/石墨烯/乙炔黑高比能柔性一體化電極的制備方法。

一步法，具體步驟如下：

取15 mg氧化石墨烯分散于30mL去離子水中，超聲2h，得到均勻的分散液，然后添加1mg 乙炔黑，60mg聚丙烯腈/硫復(fù)合材料，繼續(xù)超聲1h，通過(guò)真空抽濾實(shí)現(xiàn)層層沉積，最終得到聚丙烯腈/硫/石墨烯/乙炔黑高比能柔性一體化電極。

對(duì)實(shí)施例2-5制備的高比能柔性一體化電極也進(jìn)行了循環(huán)穩(wěn)定性的測(cè)試，結(jié)果均與實(shí)施例1相當(dāng)，表明本發(fā)明制備的高比能柔性一體化電極具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明制備的高比能柔性一體化電極不僅提高了電極中硫的利用率，而且具有高的電導(dǎo)率和強(qiáng)的機(jī)械性能，能夠有效緩解充放電過(guò)程中活性材料的體積膨脹，提高電池的循環(huán)性能和高比能特性。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。