正極材料。
[0029]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六不同的是步驟一中所述的碳纖維的外徑為50?150nm，內(nèi)徑15?90nm，長度為50?150 μ m。其它與【具體實(shí)施方式】六相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六或七不同的是步驟一中氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的濃度為4.0mg/ml ;碳纖維與氧化石墨烯的質(zhì)量比為1:10。其它與【具體實(shí)施方式】六或七相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六至八之一不同的是步驟二中水熱反應(yīng)的溫度為190°C，反應(yīng)時(shí)間為19h。其它與【具體實(shí)施方式】六至八之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六至八之一不同的是步驟三中的真空度為10_2kPa，加熱的溫度為158°C，保持時(shí)間為4h。其它與【具體實(shí)施方式】六至八之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】十一:利用【具體實(shí)施方式】一所述的鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料制備正極的方法，具體為:將鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料切成片狀后，用2?1MPa的壓力壓制，得到厚度為100?800微米的碳纖維改性海綿狀石墨烯-硫電極正極。
[0034]【具體實(shí)施方式】十二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十一不同的是壓制的壓力為8MPa ;其它與【具體實(shí)施方式】i^一相同。
[0035]【具體實(shí)施方式】十三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】十一或十二不同的是正極的厚度為500微米。其它與【具體實(shí)施方式】十一或十二相同。
[0036]用下面實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0037]試驗(yàn)1:本試驗(yàn)的鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0038]—、先將150mg石墨烯氧化后，加入水中攪拌均勻，得到氧化石墨烯分散液，其中氧化石墨稀分散液中氧化石墨稀的濃度為5.0mg/ml ;再將20mg碳纖維加入到氧化石墨稀分散液中，攪拌，得混合液；碳纖維的外徑為80?120nm，內(nèi)徑30?50nm，長度為80?130 μ m0
[0039]二、將混合液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，在溫度為180°C的條件下水熱反應(yīng)18h后，得到碳纖維改性三維海綿狀石墨烯水凝膠；再將碳纖維改性三維海綿狀石墨烯水凝膠進(jìn)行冷凍干燥24h，得到碳纖維改性三維海綿狀石墨烯；
[0040]三、將碳纖維改性三維海綿狀石墨烯切成薄片，取質(zhì)量為2.35mg的薄片，并將9.37mg單質(zhì)硫均勾地灑在薄片表面，放入真空罐中，在真空度為10_3kPa的條件下加熱至160°C并保持6h，得到質(zhì)量為11.72mg的鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨稀-硫正極材料。
[0041]利用本試驗(yàn)制備的鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料制備正極的方法如下:將上述制備的碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料用SMPa的壓力壓制5分鐘，得到直徑為10mm、厚度為0.5mm的硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨稀-硫正極。
[0042]試驗(yàn)2:作為對比，制備不加入碳纖維的三維石墨烯-硫電極材料，具體方法如下:將氧化石墨烯濃度為5.0mg/ml的氧化石墨烯分散液加入到水熱釜中，在溫度為180°C的條件下水熱反應(yīng)18h后，得到三維海綿狀石墨烯水凝膠；再將三維海綿狀石墨烯水凝膠進(jìn)行冷凍干燥24h，得到三維海綿狀石墨烯；
[0043]三、將三維海綿狀石墨烯切成薄片，取質(zhì)量為2.34mg的薄片，并將9.34mg單質(zhì)硫均勻地灑在薄片表面，放入真空罐中，在真空度為10_2kPa的條件下加熱至160°C并保持6h，得到質(zhì)量為11.68mg的三維海綿狀石墨稀-硫正極材料。
[0044]將三維石墨烯-硫正極材料用SMPa的壓力壓制5分鐘，得到直徑為10mm、厚度為
0.5mm的三維海綿狀石墨烯-硫正極。
[0045]將試驗(yàn)I制備的鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極和試驗(yàn)2制備的三維海綿狀石墨烯-硫正極轉(zhuǎn)移到氬氣手套箱中，均與金屬鋰負(fù)極組裝成紐扣電池，紐扣電池中的電解液是在溶劑中添加二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)和LiNO3得到的溶液，其中溶劑為體積比為1:1的I，3-二氧環(huán)戊燒(DOL)和I，2-二甲氧基乙燒(DME)的混合液，二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰的濃度為lmol/L，LiNO3的濃度為0.lmol/L。
[0046]測試兩個(gè)紐扣電池的電性能，其中0.1C充放電倍率下兩個(gè)紐扣電池的首次充放電曲線如圖1所示，圖1中a為試驗(yàn)I制備的碳纖維增強(qiáng)三維海綿狀石墨烯-硫電極的電池的首次充放電曲線山為試驗(yàn)2制備的三維海綿狀石墨烯-硫電極的電池的首次充放電曲線；從圖1可以看出，在0.1C充放電倍率下，充放電截止電壓相對于Li/Li+為1.5?3V，本試驗(yàn)所述的充電和放電容量皆指以正極面積計(jì)算的面積比容量。
[0047]在0.1C充放電倍率下，兩個(gè)電池的循環(huán)性能圖如圖2所示，圖中a為試驗(yàn)I制備的碳纖維增強(qiáng)三維海綿狀石墨烯-硫電極的電池的循環(huán)性能圖；b為試驗(yàn)2制備的三維海綿狀石墨烯-硫電極的電池的循環(huán)性能圖；從圖2中可以看出，在0.1C充放電倍率下，碳纖維增強(qiáng)三維海綿狀石墨烯-硫電極的最高比容量可達(dá)450mAh/g，200次循環(huán)后仍能保持375mAh/go
[0048]圖3為兩個(gè)電池的倍率性能圖，圖中a為試驗(yàn)I制備的碳纖維增強(qiáng)三維海綿狀石墨烯-硫電極的電池的倍率性能圖山為試驗(yàn)2制備的三維海綿狀石墨烯-硫電極的電池的倍率性能圖，從圖3中可以看出，碳纖維增強(qiáng)后，三維海綿狀石墨烯-硫電極的電池的倍率性能有較大程度的改善。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨稀-硫正極材料，其特征在于該正極材料是單質(zhì)硫分散在碳纖維改性海綿狀石墨烯內(nèi)部的孔洞之中，其中正極材料中單質(zhì)硫的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為40%?85%，碳纖維的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2%?8%，石墨烯的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為7%?58%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料，其特征在于單質(zhì)硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%?80%，碳纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?6%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料，其特征在于單質(zhì)硫?yàn)樯A硫S80
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料，其特征在于所述的碳纖維的外徑為50?150nm，內(nèi)徑15?90nm，長度為50?150 μ mD
5.制備如權(quán)利要求1所述的一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料的方法，其特征在于該方法按以下步驟進(jìn)行: 一、分別稱取碳纖維、石墨烯和單質(zhì)硫，將碳纖維、石墨烯和單質(zhì)硫的質(zhì)量總和計(jì)為M，其中單質(zhì)硫的質(zhì)量占M的40%?85%，碳纖維的質(zhì)量的質(zhì)量占M的2%?8%，石墨烯的的質(zhì)量占M的7%?58%;先將石墨稀氧化后，加入水中攬樣均勾，得到氧化石墨稀分散液；再將碳纖維加入到氧化石墨烯分散液中，攪拌，得混合液；其中氧化石墨烯分散液中氧化石墨稀的濃度為3.0?5.0mg/ml ； 二、將混合液轉(zhuǎn)移到水熱釜中，在溫度為180?200°C的條件下水熱反應(yīng)18?20h后，得到碳纖維改性三維海綿狀石墨烯水凝膠；再將碳纖維改性三維海綿狀石墨烯水凝膠進(jìn)行冷凍干燥，得到碳纖維改性三維海綿狀石墨烯； 三、將碳纖維改性三維海綿狀石墨烯切成薄片，并將單質(zhì)硫均勻地灑在薄片表面，放入真空罐中，在真空度為10_5?IkPa的條件下加熱至155?160°C并保持2?5h，得到鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料的制備方法，其特征在于步驟一中氧化石墨稀分散液中氧化石墨稀的濃度為4.0mg/ml ;碳纖維與氧化石墨稀的質(zhì)量比為1:10。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料的制備方法，其特征在于步驟二中水熱反應(yīng)的溫度為190°C，反應(yīng)時(shí)間為19h。
8.利用權(quán)利要求1所述的鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料制備正極的方法，其特征在于該方法具體為:將鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料切成片狀后，用2?1MPa的壓力壓制，得到厚度為100?800微米的碳纖維改性海綿狀石墨烯-硫電極正極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料制備正極的方法，其特征在于正極的厚度為500微米。
【專利摘要】一種鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料及其制備方法和正極的制備方法，它涉及鋰硫電池正極材料及其制備方法和正極的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的石墨烯-硫電極的面積比容量低、倍率性能差的技術(shù)問題。本發(fā)明的正極材料是單質(zhì)硫分散在碳纖維改性海綿狀石墨烯內(nèi)部的孔洞之中。制法：碳纖維加入到氧化石墨烯分散液的混合液，水熱合成后得到水凝膠，冷凍干燥，得到碳纖維改性三維海綿狀石墨烯；將其切成薄片，并將單質(zhì)硫?yàn)⒃诒∑砻?，放入真空罐中，加熱處理后，得到鋰硫電池碳纖維增強(qiáng)三維石墨烯-硫正極材料。將正極材料切片后，壓制，得到正極。該電極材料的面積比容量達(dá)到10mAh/cm2，可用于鋰離子電池中。
【IPC分類】H01M4-139, H01M4-62, H01M4-38
【公開號】CN104617283
【申請?zhí)枴緾N201510094240
【發(fā)明人】秦偉, 盧松濤, 吳曉宏
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年3月3日