[发明专利]一种磷掺杂石墨烯碳纤维琉球气凝胶及其制备方法与应用

说明书

一种磷掺杂石墨烯碳纤维琉球气凝胶及其制备方法与应用，涉及锂硫电池电极技术领域，其制备方法包括，分别制备碳纤维和得琉球；将琉球分散在的氧化石墨烯溶液中，加入碳纤维，混合均匀，冷冻干燥得氧化石墨烯/碳纤维/硫气凝胶；将氧化石墨烯/碳纤维/硫气凝胶加入磷酸溶液置于水热釜中反应，水合肼还原得磷掺杂石墨烯碳纤维琉球气凝胶。本发明所制备的磷掺杂碳基琉球碳纤维气凝胶材料，碳纤维连接在石墨烯之间增强材料的结构并增加了材料的导电性，气凝胶中的孔道为硫正极在充放电过程中所发生的体积膨胀提供了充足的空间，使材料结构在电池循环充放电过程中保持稳定，延长了材料的使用寿命，提高了电池的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂硫电池电极技术领域，具体涉及一种磷掺杂石墨烯碳纤维琉球气凝胶及其制备方法与应用。

背景技术

在众多电化学储能体系中，锂硫电池被认为是一种极具开发前景的新一代二次锂电池。锂硫电池具有高的理论容量(～1675mAh/g)和高能量密度(～2600Wh/kg)。不仅如此，作为正极活性物质的单质硫具有储量丰富，来源广泛及低毒无公害等众多优点，因此，大量的研究者们都致力于锂硫电池商业化应用的研究中。

虽然锂硫电池的应用前景非常光明，但是在现阶段锂硫电池的市场化进程依然受到一些尚未克服的难题阻碍，比如：(1)电池在充电过程中形成的多硫化锂在正负极之间的往复运动形成穿梭效应，这一现象造成电池充电过程延长，库伦效率降低，且多硫化锂腐蚀锂负极，消耗了锂的含量，同时负极的多硫化锂被还原为不导电的Li₂S₂和Li₂S沉积在锂片表面，阻碍电子传输也造成活性物质损失，降低了电池的循环性能；(2)硫作为正极活性物质，其导电率较低，绝缘的本质阻碍了电极中电子的传输，造成活性物质的利用率降低；(3)电池在充放电过程中存在硫与多硫化锂的相互转化，硫正极的电极结构也会发生体积的膨胀和收缩现象，反复的体积膨胀和收缩会造成电极结构坍塌及活性物质脱落等问题，从而降低电池的容量性能。

目前，人们通过多种方法改善锂硫电池的这些问题，比如：将硫负载至碳材料(多孔碳球、介孔碳纤维、碳纳米管、石墨烯等)、多孔金属氧化物等。例如：将硫负载至介孔碳CMK-3并作为锂硫电池的正极材料，该电池的比容量可以达到1051mAh/g，并维持200圈的循环稳定性。将硫负载至具有空心结构的核壳碳球中制备成实心碳球/硫复合材料，该材料作为锂硫电池正极在循环200圈之后仍然保持960mAh/g的比容量。但是，现有的多孔锂硫电池正极材料的孔体积有限导致材料的载硫量较低，从而限制了电池的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种硫含量高，活性利用率高，能量密度高，循环性能好的正极材料及其制备方法，以克服现有的硫正极材料存在的硫担载量低，比容量小，能量密度低，循环性能差等问题。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种磷掺杂石墨烯碳纤维琉球气凝胶的制备方法，其包括以下步骤：

S1：将聚酰亚胺溶液制成聚酰亚胺膜，碳化，保护气氛中加热，得碳纤维膜，再将碳纤维膜浸入浓硫酸，超声，洗涤，干燥，得碳纤维；

将Na₂S₂O₃溶液与聚乙烯吡咯烷酮混合，加入浓盐酸，搅拌，过滤，去离子水洗涤，得琉球；

S2：将S1中制备的琉球分散在的氧化石墨烯溶液中，加入S1中制备的碳纤维，混合均匀，冷冻干燥得氧化石墨烯/碳纤维/硫气凝胶；

S3：将氧化石墨烯/碳纤维/硫气凝胶加入磷酸溶液，置于水热釜中反应，过滤，洗涤，干燥，得磷掺杂氧化石墨烯碳纤维/硫气凝胶；

S4：将磷掺杂氧化石墨烯碳纤维/硫球气凝胶用水合肼还原，得磷掺杂石墨烯碳纤维琉球气凝胶。