锂硫电池石墨烯/纳米硫复合正极材料的制备及电化学性能

杨蓉，王黎晴，吕梦妮，邓坤发，燕映霖，任冰，李兰



锂硫电池石墨烯/纳米硫复合正极材料的制备及电化学性能

杨蓉1，王黎晴1，吕梦妮1，邓坤发1，燕映霖2，任冰2，李兰1

（1西安理工大学理学院，陕西西安 710048；2西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安 710048）

利用热解还原将Hummers法制得的氧化石墨烯还原为石墨烯，并采用化学沉淀法将纳米硫成功负载到石墨烯片层上，获得石墨烯/纳米硫（RGO/nano-S）正极复合材料。利用 FT-IR、XRD、SEM、TEM和Raman 对所制备复合材料的微观结构、形貌等进行表征，采用恒流充放电、循环伏安法和交流阻抗法对复合材料的电化学性能进行研究。研究结果表明，热还原所得石墨烯褶皱的表面形成容纳硫及多硫离子的空间，有助于缓解活性物质溶解和抑制多硫离子迁移；同时，均匀分布的纳米硫能更好地与电解液接触，在石墨烯的导电网络上增大了电化学反应面积，进而改善了该材料作为锂硫电池的实际放比电容量和倍率循环性能。

锂硫电池；石墨烯；纳米硫；复合材料；电化学性能

引 言

互联网时代的来临，电动汽车、大型储能电站的迅猛发展，都对锂离子二次电池的性能提出了更高的要求，但现有的二次锂离子电池受自身材料特性的限制已不足以满足需求[1]。锂硫电池由于具有高达1680 mA·h·g-1的理论比容量和2600 W·h·kg-1的理论能量密度，以及活性物质硫价格便宜、资源丰富且低毒性等突出优点[2-4]，被认为是一种非常具有应用前景的二次电池体系。目前，锂硫电池离实用化仍存在明显的问题，需要对硫电极进行改性，将不导电单质硫与具有特殊结构及优良导电性能的载体复合，制备高性能的硫基复合正极材料。使用的载体材料应具有以下特点：（1）离子和电子电导率优异；（2）活性物质硫能均匀分散在载体材料上，能提高活性物质的利用率；（3）具有抑制硫及多硫离子在电解液的溶解，缓解多硫离子的穿梭效应。

石墨烯（graphene）是具有sp2杂化轨道的碳原子构成的二维材料，这种特殊结构使石墨烯材料具有独特的力学、热学和电学性能[5-7]。石墨烯的电子迁移率可达200000 cm2·(V·s)-1[8]，电导率达106S·m-1[9]。同时，石墨烯是一种高吸附材料，其理论比表面积高达2630 m2·g-1，近年来被广泛应用于锂硫电池的正极复合材料中。目前单质硫多为粒径在微米级且粒度分布较分散的升华硫产品，直接用这种材料做正极不利于电池性能的发挥。研究表明[10-11]，纳米硫具有尺寸小、比表面积大、表面孔隙丰富等优点，能够改善电池的电化学性能，因此，更适合应用于锂硫电池中。

本文首先以Hummers法[12]制备氧化石墨烯(GO)，将其热还原成石墨烯（RGO），再利用化学沉淀法将纳米硫与石墨烯覆合，获得石墨烯/纳米硫复合材料。较系统地研究了石墨烯/纳米硫复合材料作为锂硫电池正极材料的电化学性能。

1 实验材料和方法

1.1 材料

天然石墨粉（NG，青岛晟泰石墨有限公司），浓硫酸（H2SO4，北京化工厂），双氧水30%（H2O2，天津市天力化学试剂厂），高锰酸钾（KMnO4，天津市天力化学试剂厂），升华硫（天津市福晨化学试剂厂），硫代硫酸钠（天津市化学试剂三厂），无水乙醇（西安试剂厂），实验用水为双重去离子水。所有化学试剂均为分析纯。

1.2 RGO/nano-S复合材料的制备

1.2.1 氧化石墨的制备 本文中的氧化石墨是由改进的 Hummers 法所制备的[10]，将2g天然石墨粉加入装有86ml浓硫酸（98%）的烧杯中，然后把烧杯置于冰浴并在搅拌下分次加入6gKMnO4，再转移到35℃水浴中反应2h，然后加入180ml去离子水，控制反应液在98℃，继续搅拌15min，然后加入560ml去离子水将反应终止。再加入25ml双氧水（30% H2O2)，溶液反应至呈现金黄色即可，将所得溶液离心、洗涤至中性，产物即为氧化石墨，标记为 GO（grapheneoxide）。

1.2.2 RGO的制备 取适量GO置于一钢制密封罐中，向其通入氩气后转移至800℃的马弗炉中，保温30 s，待降温后取出，即得石墨烯，命名为RGO。

1.2.3 RGO/nano-S的制备 取适量RGO超声分散于去离子水中，以硫代硫酸钠为硫源，按照碳硫质量比为4:6将适量硫代硫酸钠加入到RGO分散液中后，缓慢加入浓度为1 mol·L-1盐酸溶液到上述混合溶液中并适当过量，搅拌反应30 min。然后将溶液进行过滤，醇洗、水洗，于55℃干燥。待干燥后，转移至聚四氟乙烯反应釜中，通入氮气作保护气，于158℃保温10 h，降温后获得石墨烯/纳米硫复合材料，记为RGO/nano-S。

1.3 电极的制备

按照活性材料（RGO/nano-S）:Super P（炭黑导电剂）:黏结剂8:1:1（质量比）的比例混合研磨均匀后，加入适量-甲基吡咯烷酮，调匀成浆状后均匀涂覆在铝箔上，在 80℃下真空干燥至恒重，冲裁后得到正极电极片。正极片直径为 12.5 mm，面积为 1.23 cm2，每个电极片上拥有 1.7～1.8 mg 的活性物质。

以正极片为研究电极，锂片为对电极，聚丙烯多孔膜（Celgard 2400）为隔膜，1 mol·L-1LiN(CF3SO2)2[二(三氟甲基磺酰)亚胺锂，简写为 LiTFSI]/DOL(1，3-二氧戊环)+DME(乙二醇二甲醚) [1%（质量）LiNO3]为电解液，在充满氩气的手套箱中组装成 CR2025 型扣式电池。采用电化学工作站（CHI660D，上海辰华公司）对电池进行循环伏安（CV）与交流阻抗（EIS）测试，电压扫描范围为1.0～3.1 V，扫描速率为0.5 mV·s-1；EIS 测试的频率范围为0.001～100000 Hz，正弦激励信号振幅为 5 mV。实验电池的恒流充放电测试采用新威高精度电池测试系统（Neware BTS型，深圳市新威电池检测设备有限公司），电压范围为 1.5～3.0 V。

1.4 测试仪器及方法

采用日本岛津公司XRD-6100 型X射线衍 射仪（XRD）对样品微观结构进行分析，通过连 续扫描的方式，在 5°～80°范围内扫描，铜靶 Kα辐射，波长1.54178 nm，管电压40 kV，管电流150 mA，步长为0.02°。采用美国TESCAN公司VEGA-3-SBU-EasyProbe型电子显微镜（SEM），其加速电压为15 kV，对材料的形貌进行观察和比较。采用日本电子株式会社（JEOL）的JEM-3010型透射电镜观察材料的形貌、分散情况。采用日本岛津公司的傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），KBr压片法制样，在4000～400 cm-1区域内测试。采用Renishaw inVia Reflex 型共聚焦显微拉曼光谱仪（Raman）进行材料的拉曼表征，发射波长为532 nm。采用德国 Vario EL cube型元素分析仪检测正极材料中N、S、C元素的含量。

2 实验结果与讨论

2.1 石墨烯的表征

2.1.1 石墨烯的FT-IR表征 图1为原料石墨、GO、和RGO的红外谱图。石墨在1638 cm-1处的吸收峰对应石墨晶体sp2结构中CC的伸缩振动。通过Hummers法制备的氧化石墨烯GO在3413 cm-1处出现的吸收峰，是由OH的伸缩振动引起；在1722 cm-1处的吸收峰归属于氧化石墨烯羧基上CO的伸缩振动；1064 cm-1处的吸收峰对应于COC的振动，而864 cm-1附近的吸收峰由环氧基所致。RGO在3000～3700 cm-1范围内存在一个较弱的吸收峰，可能是少量的水分子和部分未被还原的OH所致，同时在1637 cm-1附近出现CC的吸收峰，而其他含氧官能团的吸收峰变弱甚至消失。通过比较石墨、GO和RGO的FT-IR红外谱图线，热解法所制的石墨烯的含氧基团已经较为彻底脱去。

图1 石墨、GO和RGO的FT-IR谱图

2.1.2 石墨烯和石墨烯/纳米硫的XRD表征 图2为原料石墨、GO、RGO、S和RGO/nano-S的XRD谱图，从图中可知，石墨在226°的位置出现一个明显的（002）特征衍射峰，峰形尖锐且强度大，表明石墨具有很好结晶性；经过氧化后，（002）特征峰消失，在10.8°出现了属于GO的（001）特征峰[13]，表明石墨的晶体结构在氧化后已遭到破坏。而通过热解还原方法获得的RGO在26°出峰，与石墨特征峰位置相近，但衍射峰明显变宽，强度下降，呈现出石墨烯的非晶态结构。这可能是由于经还原后，石墨片层尺寸变小，晶体的完整性下降，使之呈现无定形碳结构。石墨烯/纳米硫复合材料与单质硫特征衍射峰基本重合，说明硫被负载到了复合材料中，并且纳米硫以结晶态的形式存在。

图2 石墨、GO、RGO、S和RGO/nano-S的XRD谱图

2.1.3 石墨烯和石墨烯/纳米硫的微观形貌表征 图3（a）是RGO的SEM图。从图可以看出热解法还原的RGO呈现手风琴褶皱状，并清晰显示石墨片层已剥离，且片层发生了明显的卷曲和褶皱，可能是热还原脱除石墨层间含氧基团后，层间位阻下降，导致片层表面发生形变。这些褶皱的产生形成容纳硫及多硫离子的空间，有助于抑制和缓解硫及多硫离子的迁移。显然热解法所制备的RGO更适合活性物质硫的分散。

图3 RGO的SEM图和RGO/nano-S的TEM图及能谱图

为了考察化学沉淀法对石墨烯覆硫的效果，对RGO/nano-S材料进行了TEM表征。从图3(b)可以清晰地看出石墨烯的片层结构，与由SEM图所推断的热解法制备的石墨烯片层效果相符合。且硫颗粒以小于100 nm的尺寸均匀沉积在石墨烯片层上，没有出现严重的团聚现象。均匀分布及尺寸细小的纳米硫能更好地与电解液接触，其电化学反应面积更大，有助于充放电过程中离子、电子的快速传 导[14-15]，可提高锂硫电池的电化学性能。图3(c)能谱图显示，该点具有硫元素和碳元素的峰，硫峰对应于该点处的纳米硫，碳峰对应于该处的石墨烯片层，表明纳米硫已负载到石墨烯片层上。

通过对RGO/nano-S复合材料进行元素分析测试，结果表明，复合材料中含硫量为57%。

2.1.4 石墨烯的Raman表征 拉曼光谱是一种快速有效地表征碳基材料的重要手段。图4分别为石墨、GO和RGO的拉曼光谱图。从图中可以清楚地看出，石墨仅有一个显著的G峰，而GO、RGO样品均存在两个明显的峰：位于1350 cm-1的D峰及位于1596 cm-1的G峰。

图4 石墨、GO及RGO的拉曼光谱图

D峰为碳材料无序诱导的拉曼特征[16]，为缺陷峰。G峰对应于sp2杂化键合的石墨碳原子中的E2g光学模一阶拉曼散射，是石墨的一个本征拉曼模式，代表的是完整的sp2片层结构[17]。D/G可为碳材料晶体结构有序度及晶粒尺寸的评价标准[18-19]。D/G值越大，表明材料具有越多的缺陷，其有序度越低。石墨的拉曼光谱只存在一个尖锐的G峰，基本看不出D峰的存在，表明石墨的碳原子结构排列规整，晶体结构完美。当石墨被氧化成GO，于1350 cm-1出现了D峰，而且G峰变宽，D/G值增大（D/G0.80），表明石墨经氧化后结构的无序度上升。当GO被剥离还原成RGO后，D/G值（D/G0.86）进一步增大，这可能是由于GO还原成RGO过程中引起了石墨烯结构缺陷，更多的石墨片层边缘被暴露，导致晶体尺寸下降。D/G值越大，其缺陷越多，能提供更多的活性位点，有利于负载的硫的分散。

2.2 电化学性能分析

为了考察以热解法还原的石墨烯通过化学法覆载硫所制备的石墨烯/纳米硫（RGO/nano-S）复合材料的电化学性能，组装了实验电池，并进行了较为系统的电化学性能测试。

图5为RGO/nano-S正极复合材料在0.5 mV·s-1扫描速率下的3次循环伏安(CV)曲线，扫描范围为1.0～3.1 V。从图中可以看出，活性物质硫与锂的反应是一个多步反应过程[20]。负向扫描在 2.25 V以及1.86 V处分别出现2个还原峰，其中2.25 V处的还原峰对应于硫向长链多硫化锂（LiS，4～8）转化的过程，1.86 V处还原峰对应的是长链多硫化锂向短链多硫化锂（LiS，2～4）和硫化锂（Li2S）进一步转化的过程。正向扫描在2.5 V出现的尖锐氧化峰对应于多硫化锂和Li2S氧化为硫的过程[21-22]。

图5 RGO/nano-S复合材料的循环伏安曲线

比较3次CV循环曲线发现，随着扫描次数的增加，还原峰、氧化峰的位置基本不变，这可能是由于纳米硫尺寸小，能够缓冲电极由充放电过程中引起的体积膨胀，从而保持电极结构的稳定性，表明复合材料具有良好的循环稳定性。

图6为RGO/nano-S正极复合材料在室温0.1C倍率下的前两次充放电曲线。由图可看出，每条放电曲线上均有2个平台，第1个放电平台在2.30 V左右，第2个放电平台在2.08 V左右，可以发现RGO/nano-S的电压平台与其循环伏安曲线的还原峰位置几乎对应。

图6 RGO/nano-S在0.1C倍率下前两次充放电曲线

从图7可以看出，RGO/nano-S材料在室温0.1C倍率下的首次放电比容量为1578.2 mA·h·g-1，经55次的循环后，比容量为712.7 mA·h·g-1，RGO/nano-S材料的库仑效率稳定在95%以上。这可能由于热解制得石墨烯的特殊褶皱形貌不仅使硫能更牢固地附着在片层上，还有效地抑制了多硫离子的迁移，减小活性物质的流失；同时，均匀分布的纳米硫能更好地与电解液接触，其电化学反应面积更大，提高了锂硫电池的电化学性能。

图7 RGO/nano-S在0.1C倍率下循环寿命曲线

为了进一步研究RGO/nano-S的电化学性能，对其进行了室温不同倍率下的充放电实验。图8为RGO/nano-S复合材料在0.1C～1C倍率下的循环寿命曲线。由图8可知，电池在0.1C倍率下充放 电循环20 次，放电容量基本上保持在900.0 mA·h·g-1以上；接着在0.2C倍率下充放电循环10次，放电容量保持在607.0 mA·h·g-1左右；继续在1C倍率下循环10次，放电容量仍保持在453 mA·h·g-1。当电流密度回到0.1C时，放电容量迅速恢复到630.0 mA·h·g-1以上，表明RGO/ nano-S复合材料具有较好的倍率性能。这应该是由于石墨烯的高电子电导率为硫活性物提供快速交换电子的导电网络，以及纳米硫的尺寸小，有利于缩短离子在其中的扩散路径、促进电荷的传输与转移，使其在大电流下充放电时电子、离子仍然能快速交换。进而改善了该材料作为锂硫电池的倍率循环性能。

图8 RGO/nano-S在不同倍率下的循环寿命曲线

RGO/nano-S复合正极材料具有较高的首次放电比容量及较好的倍率性能，与其电极/电解液界面特性有很大关系。图9为RGO/nano-S复合正极材料电极在0.1C倍率下循环40次前后的交流阻抗曲线，并通过拟合它们的交流阻抗曲线得到等效电路[23]。曲线在横轴上的截距对应着的是接触阻抗（Ω），包括活性物质固有的阻抗、电解液的离子阻抗和电极/电解液的界面阻抗，而高频区的半圆对应着电极材料的传荷阻抗（ct），低频区的斜线对应的是Warburg阻抗[24-25]。从图9及表1可以看出，RGO/nano-S复合正极材料循环前后的传荷阻抗（ct-before31.36 Ω，ct-after7.975 Ω）都明显较低。而RGO/nano-S放电后的阻抗（ct-after7.951Ω）更小，可能是由于放电前，正极为富硫态，加之活性硫的绝缘性及其与电解液接触的并不充分，故而阻抗会较大，但随着反应的进行，具有层状结构的石墨烯使得电解液与活性硫的接触更加充分，电化学反应面积大大增加，因而电荷传递电阻逐渐减小。导电性能优异的石墨烯的加入能形成三维导电网络，为纳米硫活性物质反应提供充足的电化学反应场所，促进了RGO/nano-S复合正极材料在充放电过程中电子的快速传输，从而明显提高了硫活性 物质的利用率，改善了锂硫电池的循环性能和倍率性能。

图9 RGO/nano-S的交流阻抗曲线

表1 交流阻抗拟合参数

3 结 论

（1）采用热解法将Hummers法制备的氧化石墨烯还原为褶皱状石墨烯。通过化学沉淀法将小于100 nm的硫均匀负载到石墨烯片层上，获得石墨烯/纳米硫复合材料。

（2）通过电化学性能测试，该样品在室温0.1C倍率下的首次放电比容量为1578.2 mA·h·g-1，经55次的循环后，比容量为712.7 mA·h·g-1，还具有良好的倍率放电性能。这一方面是由于褶皱状石墨烯的特殊形貌有利于硫的负载且有助于抑制多硫离子的迁移，以及导电性能优异的石墨烯提供了高速导电网络，体系中电子/离子能够快速地传输。另一方面是纳米硫更能促进硫容量的发挥，由于纳米硫的尺寸小，有利于缩短离子在其中的扩散路径、促进电荷的传输与转移，有利于吸附更多的电解液、增加电极与电解液的界面反应位置，并且纳米硫尺寸小，能够缓冲电极由充放电过程中引起的体积膨胀，从而保持电极结构的稳定性。

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Preparation and electrochemical properties of graphene/nano-sulfur composite as cathode materials for lithium-sulfur batteries

YANG Rong1, WANG Liqing1, LÜ Mengni1, DENG Kunfa1, YAN Yinglin2, REN Bing2, LI Lan1

(1School of Science, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi, China;2School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi, China)

A graphene/nano-sulfur (RGO/nano-S) cathode composites was prepared by chemical precipitation of nano-sulfur onto graphene sheets, which were synthesized by pyrolyzing reduction of graphene oxide from Hummers method. The microscopic structure and morphology of the composites were characterized by FT-IR, XRD, SEM, TEM and Raman, while the electrochemical properties were studied by galvanostatic charge-discharge measurements, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The results showed that wrinkled surface on the thermally reduced graphene created a space to accommodate sulfur and polysulfur ions, which helped to hinder dissolving of active cathode materials and suppress migration of polysulfide ions. A homogeneous distribution of nano-sulfur in the graphene conductive network significantly enhanced the effective contact with electrolyte and increased electrochemical reaction area, so that improved discharge capacity and cycle-life performance of the lithium-sulfur batteries.

lithium-sulfur batteries; graphene; nano-sulfur; composites; electrochemical performance

2016-05-03.

YANG Rong, yangrong@xaut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160584

O 46；TB 34

A

0438—1157（2016）10—4363—07

国家国际科技合作专项资助项目（2015DFR50350）；陕西省教育厅自然科学专项（15JK1538）。

2016-05-03收到初稿，2016-06-21收到修改稿。

联系人及第一作者：杨蓉（1973—），女，博士，副教授。

supported by the International Science Technology Cooperation Program of China (2015DFR50350) and the Scientific Research Program Funded by Shaanxi Provincial Education Department (15JK1538).