一种石墨烯包覆硫微孔碳球复合正极材料

随着电子和通讯设备、电动汽车、风力发电和光伏发电等新电源的快速发展，人类对配套电源的电池性能需求越来越高，迫切需要开发具有能量高、成本低、寿命长、绿色环保、电池材料资源丰富以及可循环利用的动力电池和储能电池。与传统电极材料相比，元素铝与硫均具有理论能量密度大、资源丰富、价格低廉、对环境友好、使用安全等优点。金属铝理论能量密度高达2980mAh/g，仅次于金属锂（3682mAh/g），体积比容量为8050mAh/cm3，约为锂（2040Ah/cm3）的4倍，且化学活泼性相对稳定，是理想的负极材料；元素硫也具有较大的理论能量密度（1670mAh/g），是已知能量密度最大的正极材料。因此，铝硫电池从各方面来说都是一种价格低廉、能量密度高、使用安全的理想电池。目前，二次铝电池的正极材料仍存在许多问题：一是单质硫的电绝缘性导致活性物的利用率低；二是放电时硫-硫键断裂，产生的小分子硫化物溶于电解液，导致有效电极质量损失，多次循环后造成容量衰减，电池循环性能下降。为了克服单质硫存在的缺陷，通常是将单质硫负载到具有高比表面积、高孔隙率及良好导电性能的碳素类材料中，形成复合正极材料，以限制循环过程中硫基化合物溶入电解液和由此引起的各种负面作用。多孔碳球具有良好的导电性，有很高的比表面积和孔体积，吸附能力大，密度小等特点，由于多孔碳球多孔碳或碳黑等具有更高的密度，能提高硫电极的体积能量密度，进而满足商业化需求。更适合与硫复合，提高其导电性，并将硫吸附在空隙中及其表面，可抑制部分多硫化合物溶解电解液中。然而无法完全避免多硫化物的溶解。吸附在碳球表面的硫，由于只有吸附力，没有孔对其的阻碍作用，所以这部分硫的电化学产物多硫化物更容易溶解在电解液中发生穿梭效应，从而降低硫的利用率。石墨烯是一种二维平面纳米碳材料，具有高比表面积，高电导率，高机械强度和高导热性，是理想储能材料。石墨烯包覆硫材料可有效抑制电极活性物质硫的流失。但是，由于制备过程中石墨烯极易发生团聚，石墨烯片层易堆叠，导致其导电网络的表面积大大降低，不能表现出石墨烯材料本身的优势。

华炬新产品研究所技术咨询委员会科研人员现推荐一项一种石墨烯包覆硫微孔碳球复合正极材料，该技术提供的一种表面包覆石墨烯的硫/微孔碳球复合正极，充分发挥了微孔碳球和石墨烯二者的原有优势，具有以下有益效果： （1）微孔碳球具有良好的导电性，并且是孔隙结构，可以提供良好的导电通道有很高的比表面积和孔体积，吸附能力大，能负载更多的活性物质，并且微孔的孔径非常狭小，可以更有效的束缚硫使其进行原位反应，抑制电池充放电过程中硫的溶出，从而减缓硫的流失有效提高单质硫的利用率，从而改善其循环性能。，石墨烯的包覆也可进一步吸附、阻挡、抑制中间产物硫基化合物的溶解流失，有效提高电池的充放电循环性能。（2）单质硫进入微孔碳球狭小的孔隙中，形成直径较小的纳米硫颗粒，从整体上看，提高了单质硫与导电碳的接触面积，由于单质硫是绝缘体，它需要与具有良好导电性的物质接触来传递电子才能发生电化学反应，所以较高的表面积，进一步提高了硫的利用率。（3）均匀包覆在外层的石墨烯片层，能有效降低硫/微孔碳球外表面上负载的单质硫产生的接触电阻，并且对外表面的活性物质起到束缚保护作用可进一步提高活性物质硫的利用率，改善高倍率充放电性能，现将该一种石墨烯包覆硫微孔碳球复合正极材料及实施例介绍如下供研究交流参考：（811311  231424）

该项目由华炬新产品研究所技术咨询委员会多位专家根据目前国内该领域最新技术推荐的新技术、新产品、新工艺，
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