微波法制備n,s共摻雜石墨烯鋰硫電池正極材料的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于納米復合材料技術領域，涉及一種微波法制備N，S共摻雜石墨稀鋰硫 電池正極材料的方法。
【背景技術】
[0002] 新能源與可再生能源正在取代日益枯竭的化石能源，已成解決當今世界能源危機 以及環境問題的有效手段之一。二次電池是新能源領域中儲能裝置的重要組成部分，其主 要有鉛酸電池、鎳鉻電池、鎳氫電池、鋰二次電池等。其中鋰二次電池由于其比能量高、充電 效率高、溫度特性良好、自放電低、充電熱效應小和無記憶效應等優點，成為新能源的研究 熱點。
[0003] 但傳統鋰離子電池(LIB)由于能量密度很難突破300Wh/kg，限制了其在混合動力 交通工具(PHEV)及純電動交通工具(PEV)等領域的廣泛應用。因此大型高能量密度、低成本 的可再生能源系統開始逐步走入人們的視野。以單質硫作為正極，金屬鋰為負極的鋰硫電 池，理論能量密度高達2500Wh/kg(體積能量密度可達2800Wh/L)。與傳統的鋰離子電池相 比，鋰硫電池能夠實現其3~5倍的能量密度，因而備受關注。由于單質硫密度輕、儲量豐富、 價格低廉、環境友好，所以鋰硫電池不僅能量密度高而且成本低、材料來源充足。但是由于 活性物質單質硫的絕緣性，使得單質硫必須與電子導體相復合，制備成導電劑/硫復合結 構，來增加正極對電子和離子的傳導性。
[0004] 石墨烯是一種由碳原子構成二維蜂窩狀新型碳材料。與其他碳材料相比，石墨烯 具有更尚的比表面積和更為優異的導電性能。因此，可以將石墨稀與硫復合，有效地提尚鋰· 硫電池電極材料的電化學性能。但由于石墨烯是片層狀的二維結構，對于硫的束縛性不佳， 因此電池初始容量雖然高但是衰減較快。對石墨烯摻雜，即對石墨烯進行化學，當石墨烯片 層上的C原子被與其電負性相近的雜原子(如N或S原子)取代后，其物理化學性質得到有效 的調控。
[0005] 目前，制備摻雜石墨烯的方法主要包括氣相沉積法、水熱法、高溫熱解法、回流法 等。然而，這些方法反應時間長、溫度高、能耗大、生產成本高，不利于實際規模化運用。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種微波法制備N，S共摻雜石墨烯鋰硫電池正極材料的方 法，解決了現有技術的制備方法反應時間長、溫度高、能耗大、生產成本高的問題。
[0007] 本發明所采用的技術方案是，一種微波法制備N，S共摻雜石墨烯鋰硫電池正極材 料的方法，按照以下步驟實施：
[0008] 1)利用Hummers法制備得到氧化石墨；
[0009] 2)將步驟1)所得的氧化石墨與硫脲按照質量比1:1~6進行球磨混合，球磨時間為 0.5~1小時；
[0010] 3)將步驟2)所得的混合物置于小燒杯中，然后將小燒杯放入盛有活性碳的大燒杯 中，在氮氣氣氛下置于微波反應器中進行微波加熱，得到N，S共摻雜石墨烯；
[0011] 4)將步驟3)所得N，S共摻雜石墨烯分散在硫代硫酸鈉水溶液中，硫代硫酸鈉水溶 液的濃度為15~45g/L，使N，S共摻雜石墨烯在硫代硫酸鈉溶液中的濃度為8.3~25g/L;用 鹽酸進行化學沉積法覆硫，鹽酸濃度為IM;然后進行抽濾、洗滌后，將產物在45~60°C烘干 20~30小時；
[0012] 5)將步驟4)所得產物進行熱處理，得到N，S共摻雜石墨烯/硫正極材料。
[0013] 本發明的有益效果是，主要從加熱方式上對傳統制備摻雜石墨烯材料的工藝進行 了改進。微波加熱不同于傳統加熱，微波加熱時，碳材料吸收微波，微波能量通過轉化為熱 能，在這個過程中，熱從材料內部產生而不是從外部吸收熱源，自身整體同時升溫，熱能利 用率高，材料整體溫度梯度很小。本發明方法快速高效，工藝簡單，操作方便，可行性高，所 制備的N，S共摻雜石墨烯鋰硫電池正極材料表現出優異的電化學性能。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明實施例1制備的N，S共摻雜石墨烯鋰硫電池正極材料的X-射線衍射 (XRD)圖譜，其中橫坐標為衍射角(2Θ )，單位為度，縱坐標為衍射強度，單位為cps;
[0015]圖2為本發明實施例1制備的N，S共摻雜石墨烯鋰硫電池正極材料在室溫0.1 C倍率 下的充放電曲線，其中橫坐標為放電比容量，單位為mAh/g，縱坐標為電壓，單位為V。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0017] 天然石墨經氧化插層處理后，層間距增大，用微波加熱后，層間的官能團和硫脲分 解成氣體，含氧官能團的脫去提供活性位點，硫脲分解產物接觸這些活性位點形成化學鍵， 雜原子嵌入到石墨烯晶格中，氧化石墨還原為石墨烯。本發明的方法，按照以下步驟實施：
[0018] 1)利用Hummers法制備得到氧化石墨；（Hmnmers法是現有公開的方法，在此不再細 述)；
[0019] 2)將步驟1)所得的氧化石墨與硫脲按照質量比1:1~6進行球磨混合，球磨時間為 0.5~1小時；
[0020] 3)將步驟2)所得的混合物置于小燒杯中，然后將小燒杯放入盛有活性碳的大燒杯 中，在氮氣氣氛下置于微波反應器中進行微波加熱，微波功率為400~800W，反應時間為0.5 ~10分鐘，得到N，S共摻雜石墨烯；
[0021] 4)將步驟3)所得N，S共摻雜石墨烯分散在硫代硫酸鈉水溶液中，硫代硫酸鈉水溶 液的濃度為15~45g/L，使N，S共摻雜石墨烯在硫代硫酸鈉溶液中的濃度為8.3~25g/L;用 鹽酸進行化學沉積法覆硫，鹽酸濃度為IM;然后進行抽濾、洗滌后，將產物在45~60°C烘干 20~30小時；
[0022] 5)將步驟4)所得產物進行熱處理，熱處理溫度為155~160°C，得到N，S共摻雜石墨 稀/硫正極材料。
[0023] 實施例1
[0024] 利用Hummers法制備氧化石墨，將氧化石墨與硫脲以1:3質量比混合球磨0.5小時 后置于微波反應器中，氮氣氣氛下微波功率800W進行加熱，反應1分鐘得到N，S共摻雜石墨 烯。將0.5g N，S共摻雜石墨烯分散在硫代硫酸鈉水溶液(最終濃度為15g/L)中，用IM鹽酸進 行化學沉積法覆硫，然后進行抽濾，洗滌至中性，將產物在60°C烘干30小時，在158°C熱處 理，得到N，S共摻雜石墨烯/硫正極材料。
[0025] 實施例2
[0026 ] 利用Hrnnmer s法制備氧化石墨，將氧化石墨與硫脲以1:4質量比混合球磨0.7 5小時 后置于微波反應器中，氮氣氣氛下微波功率500W進行加熱，反應6分鐘得到N，S共摻雜石墨 烯。將0.67g的N，S共摻雜石墨烯分散在硫代硫酸鈉水溶液(最終濃度為20g/L)中，用IM鹽酸 進行化學沉積法覆硫，然后進行抽濾，洗滌至中性，將產物在50°C烘干24小時，在155 °C熱處 理，得到N，S共摻雜石墨烯/硫正極材料。
[0027] 實