本發(fā)明涉及納米材料合成，特別涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
：鋰硫電池是以金屬鋰為負極，單質(zhì)硫為正極的電池體系。鋰硫電池的具有兩個放電平臺（約為2.4V和2.1V），但其電化學(xué)反應(yīng)機理比較復(fù)雜。鋰硫電池具有比能量高（2600Wh/kg）、比容量高（1675mAh/g）、成本低等優(yōu)點，被認為是很有發(fā)展前景的新一代電池。但是目前其存在著活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命低和安全性差等問題，這嚴重制約著鋰硫電池的發(fā)展。造成上述問題的主要原因有以下幾個方面：（1）單質(zhì)硫是電子和離子絕緣體，室溫電導(dǎo)率低（5×10-30S·cm-1），由于沒有離子態(tài)的硫存在，因而作為正極材料活化困難；（2）在電極反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高聚態(tài)多硫化鋰Li2Sn（8＞n≥4）易溶于電解液中，在正負極之間形成濃度差，在濃度梯度的作用下遷移到負極，高聚態(tài)多硫化鋰被金屬鋰還原成低聚態(tài)多硫化鋰。隨著以上反應(yīng)的進行，低聚態(tài)多硫化鋰在負極聚集，最終在兩電極之間形成濃度差，又遷移到正極被氧化成高聚態(tài)多硫化鋰。這種現(xiàn)象被稱為飛梭效應(yīng)，降低了硫活性物質(zhì)的利用率。同時不溶性的Li2S和Li2S2沉積在鋰負極表面，更進一步惡化了鋰硫電池的性能；（3）反應(yīng)最終產(chǎn)物L(fēng)i2S同樣是電子絕緣體，會沉積在硫電極上，而鋰離子在固態(tài)硫化鋰中遷移速度慢，使電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)速度變慢；（4）硫和最終產(chǎn)物L(fēng)i2S的密度不同，當(dāng)硫被鋰化后體積膨脹大約79%，易導(dǎo)致Li2S的粉化，引起鋰硫電池的安全問題。上述不足制約著鋰硫電池的發(fā)展，這也是目前鋰硫電池研究需要解決的重點問題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種氮摻雜石墨烯/氫氧化鋅/空心硫復(fù)合材料，該復(fù)合材料由空心結(jié)構(gòu)的硫、硫外層包覆的氫氧化鋅材料和氮摻雜的石墨烯網(wǎng)絡(luò)組成，導(dǎo)電性良好的在外層石墨烯提供導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，空心結(jié)構(gòu)的硫基材料提供膨脹的空間，硫外層包覆的氫氧化鋅能夠吸附放電產(chǎn)物多硫化物的溶解，提高材料的電化學(xué)性能。本發(fā)明提供一種氮摻雜石墨烯/氫氧化鋅/空心硫復(fù)合材料的制備工藝流程如下：（1）將硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成均一的溶液；（2）將高純度鎳粉經(jīng)過高能球磨機球磨，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；（3）將球形顆粒加入到加入氯化鐵溶液中，攪拌反應(yīng)，水洗、過濾。（4）將過濾后的沉淀物加入到含氯化鋅、尿素和表面活性劑的溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱攪拌反應(yīng)，離心、水洗得到氫氧化鋅包覆的硫顆粒；（5）將氮摻雜石墨烯加入到水中超聲分散形成均勻懸浮液，再將氫氧化鋅包覆的硫顆粒加入，攪拌，抽濾，水洗后得到復(fù)合材料。步驟（1）中硫的二硫化碳溶液濃度為1-5g/mL;步驟（2）中鎳粉：硫粉的質(zhì)量比為0.05-0.2:1，球磨時間為0.5-2小時，機械攪拌時間為0.5-1小時;步驟（3）中氯化鐵溶液的濃度為1-2mol/L，攪拌反應(yīng)時間為1-5小時；步驟（4）中氯化鋅：尿素：表面活性劑：硫的質(zhì)量比為1-2：1-1.5：0.1-0.2：10，加熱反應(yīng)的溫度為:60-90℃，反應(yīng)時間為30-60分鐘，表面活性劑可以為十二烷基苯磺酸鈉、二辛基琥珀酸磺酸鈉、十八烷基硫酸鈉中的一種或者多種;步驟（5）中氮摻雜石墨烯懸浮液的濃度為0.5-2g/L，氮摻雜石墨烯氮摻雜石墨烯：硫的質(zhì)量比為1-2：10，攪拌反應(yīng)的反應(yīng)時間為5-30分鐘。本發(fā)明具有如下有益效果：（1）氮摻雜石墨烯具有超高的電導(dǎo)率，通過該方法制備出的氮摻雜石墨烯/氫氧化鋅/空心硫復(fù)合材料能夠有效的提高鋰硫電池正極材料的電子導(dǎo)電率和離子導(dǎo)電率，同時石墨烯上的氮能對多硫化物進行化學(xué)吸附，減少充放電時的硫損失；（2）該復(fù)合材料中氫氧化鋅的包覆能對硫基材料進行物理保護，同時氫氧化鋅也能對多硫化物進行化學(xué)吸附，降低穿梭效應(yīng)；（3）該復(fù)合材料中空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計為硫材料在充放電過程中的體積膨脹預(yù)留空間，能有效提高起電化學(xué)性能。附圖說明圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。圖2是本發(fā)明復(fù)合材料的充放電性能圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的較優(yōu)的實施例作進一步的詳細說明：實施例1（1）將100g硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成1g/mL的溶液；（2）將5g高純度鎳粉經(jīng)過高能球磨機，球磨0.5小時，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌0.5小時，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；（3）將球形顆粒加入到加入1mol/L氯化鐵溶液中，攪拌反應(yīng)5小時，水洗、過濾。（4）將過濾后的沉淀物加入到含10g氯化鋅、10g尿素和1g十二烷基苯磺酸鈉的溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱到60℃攪拌反應(yīng)60分鐘，離心、水洗得到氫氧化鋅包覆的硫顆粒；（5）將10g氮摻雜石墨烯加入到水中超聲分散形成均勻濃度為0.5g/L懸浮液，再將氫氧化鋅包覆的硫顆粒加入，攪拌，抽濾，水洗后得到復(fù)合材料。實施例2（1）將100g硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成5g/mL的溶液；（2）將20g高純度鎳粉經(jīng)過高能球磨機，球磨2小時，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌1小時，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；（3）將球形顆粒加入到加入2mol/L氯化鐵溶液中，攪拌反應(yīng)1小時，水洗、過濾。（4）將過濾后的沉淀物加入到含20g氯化鋅、15g尿素和2g二辛基琥珀酸磺酸鈉的溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱到90℃攪拌反應(yīng)30分鐘，離心、水洗得到氫氧化鋅包覆的硫顆粒；（5）將20g氮摻雜石墨烯加入到水中超聲分散形成均勻濃度為2g/L懸浮液，再將氫氧化鋅包覆的硫顆粒加入，攪拌，抽濾，水洗后得到復(fù)合材料。實施例3（1）將100g硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成2g/mL的溶液；（2）將10g高純度鎳粉經(jīng)過高能球磨機，球磨1小時，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌0.6小時，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；（3）將球形顆粒加入到加入1.5mol/L氯化鐵溶液中，攪拌反應(yīng)3小時，水洗、過濾。（4）將過濾后的沉淀物加入到含15g氯化鋅、12g尿素和1.5g十八烷基硫酸鈉的溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱到70℃攪拌反應(yīng)45分鐘，離心、水洗得到氫氧化鋅包覆的硫顆粒；（5）將15g氮摻雜石墨烯加入到水中超聲分散形成均勻濃度為1g/L懸浮液，再將氫氧化鋅包覆的硫顆粒加入，攪拌，抽濾，水洗后得到復(fù)合材料。實施例4（1）將100g硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成3g/mL的溶液；（2）將15g高純度鎳粉經(jīng)過高能球磨機，球磨1.5小時，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌0.7小時，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；（3）將球形顆粒加入到加入1.2mol/L氯化鐵溶液中，攪拌反應(yīng)4小時，水洗、過濾。（4）將過濾后的沉淀物加入到含12g氯化鋅、11g尿素和1.2g十二烷基苯磺酸鈉溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱到80℃攪拌反應(yīng)40分鐘，離心、水洗得到氫氧化鋅包覆的硫顆粒；（5）將12g氮摻雜石墨烯加入到水中超聲分散形成均勻濃度為1.5g/L懸浮液，再將氫氧化鋅包覆的硫顆粒加入，攪拌，抽濾，水洗后得到復(fù)合材料。實施例5（1）將100g硫粉加入到二硫化碳中攪拌溶解形成4g/mL的溶液；（2）將18g高純度鎳粉經(jīng)過高能球磨機，球磨1.6小時，球磨后加入到上述溶液中，攪拌形成均一的懸浮液，機械攪拌0.8小時，噴霧干燥后形成硫包覆的球形顆粒；（3）將球形顆粒加入到加入1.8mol/L氯化鐵溶液中，攪拌反應(yīng)2小時，水洗、過濾。（4）將過濾后的沉淀物加入到含18g氯化鋅、14g尿素和1.8g二辛基琥珀酸磺酸鈉的溶液中，攪拌成均一懸浮液，加熱到75℃攪拌反應(yīng)55分鐘，離心、水洗得到氫氧化鋅包覆的硫顆粒；（5）將18g氮摻雜石墨烯加入到水中超聲分散形成均勻濃度為1.8g/L懸浮液，再將氫氧化鋅包覆的硫顆粒加入，攪拌，抽濾，水洗后得到復(fù)合材料。電極的制備及性能測試；將復(fù)合材料、乙炔黑和PVDF按質(zhì)量比80：10：10在NMP中混合，涂覆在鋁箔上為電極膜，金屬鋰片為對電極，CELGARD2400為隔膜，1mol/L的LiTFSI/DOL-DME(體積比1:1)為電解液，1mol/L的LiNO3為添加劑，在充滿Ar手套箱內(nèi)組裝成扣式電池，采用Land電池測試系統(tǒng)進行恒流充放電測試。充放電電壓范圍為1-3V，電流密度為0.5C，性能如表1所示。表1實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5首次放電比容量（mAh/g）950970940950930圖2是本發(fā)明實施例1復(fù)合材料制備成鋰硫電池的充放電性能圖。從圖中可以看出充放電效率可以達到99%以上，首次充放電容量為950mAh/g，充放電效率為81%，第二次充放電容量為1060mAh/g，200次充放電循環(huán)后，容量相對于第二次放電容量仍然保有82%以上，說明該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)能有效抑制飛梭效應(yīng)，提高硫電池的壽命。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3