鋰硫電池石墨烯/納米硫復(fù)合正極材料的制備及電化學(xué)性能

楊蓉，王黎晴，呂夢(mèng)妮，鄧?yán)ぐl(fā)，燕映霖，任冰，李蘭

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鋰硫電池石墨烯/納米硫復(fù)合正極材料的制備及電化學(xué)性能

楊蓉1，王黎晴1，呂夢(mèng)妮1，鄧?yán)ぐl(fā)1，燕映霖2，任冰2，李蘭1

（1西安理工大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710048；2西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048）

利用熱解還原將Hummers法制得的氧化石墨烯還原為石墨烯，并采用化學(xué)沉淀法將納米硫成功負(fù)載到石墨烯片層上，獲得石墨烯/納米硫（RGO/nano-S）正極復(fù)合材料。利用 FT-IR、XRD、SEM、TEM和Raman 對(duì)所制備復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、形貌等進(jìn)行表征，采用恒流充放電、循環(huán)伏安法和交流阻抗法對(duì)復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，熱還原所得石墨烯褶皺的表面形成容納硫及多硫離子的空間，有助于緩解活性物質(zhì)溶解和抑制多硫離子遷移；同時(shí)，均勻分布的納米硫能更好地與電解液接觸，在石墨烯的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)上增大了電化學(xué)反應(yīng)面積，進(jìn)而改善了該材料作為鋰硫電池的實(shí)際放比電容量和倍率循環(huán)性能。

鋰硫電池；石墨烯；納米硫；復(fù)合材料；電化學(xué)性能

引 言

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，電動(dòng)汽車(chē)、大型儲(chǔ)能電站的迅猛發(fā)展，都對(duì)鋰離子二次電池的性能提出了更高的要求，但現(xiàn)有的二次鋰離子電池受自身材料特性的限制已不足以滿足需求[1]。鋰硫電池由于具有高達(dá)1680 mA·h·g-1的理論比容量和2600 W·h·kg-1的理論能量密度，以及活性物質(zhì)硫價(jià)格便宜、資源豐富且低毒性等突出優(yōu)點(diǎn)[2-4]，被認(rèn)為是一種非常具有應(yīng)用前景的二次電池體系。目前，鋰硫電池離實(shí)用化仍存在明顯的問(wèn)題，需要對(duì)硫電極進(jìn)行改性，將不導(dǎo)電單質(zhì)硫與具有特殊結(jié)構(gòu)及優(yōu)良導(dǎo)電性能的載體復(fù)合，制備高性能的硫基復(fù)合正極材料。使用的載體材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）離子和電子電導(dǎo)率優(yōu)異；（2）活性物質(zhì)硫能均勻分散在載體材料上，能提高活性物質(zhì)的利用率；（3）具有抑制硫及多硫離子在電解液的溶解，緩解多硫離子的穿梭效應(yīng)。

石墨烯（graphene）是具有sp2雜化軌道的碳原子構(gòu)成的二維材料，這種特殊結(jié)構(gòu)使石墨烯材料具有獨(dú)特的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能[5-7]。石墨烯的電子遷移率可達(dá)200000 cm2·(V·s)-1[8]，電導(dǎo)率達(dá)106S·m-1[9]。同時(shí)，石墨烯是一種高吸附材料，其理論比表面積高達(dá)2630 m2·g-1，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于鋰硫電池的正極復(fù)合材料中。目前單質(zhì)硫多為粒徑在微米級(jí)且粒度分布較分散的升華硫產(chǎn)品，直接用這種材料做正極不利于電池性能的發(fā)揮。研究表明[10-11]，納米硫具有尺寸小、比表面積大、表面孔隙豐富等優(yōu)點(diǎn)，能夠改善電池的電化學(xué)性能，因此，更適合應(yīng)用于鋰硫電池中。

本文首先以Hummers法[12]制備氧化石墨烯(GO)，將其熱還原成石墨烯（RGO），再利用化學(xué)沉淀法將納米硫與石墨烯覆合，獲得石墨烯/納米硫復(fù)合材料。較系統(tǒng)地研究了石墨烯/納米硫復(fù)合材料作為鋰硫電池正極材料的電化學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

天然石墨粉（NG，青島晟泰石墨有限公司），濃硫酸（H2SO4，北京化工廠），雙氧水30%（H2O2，天津市天力化學(xué)試劑廠），高錳酸鉀（KMnO4，天津市天力化學(xué)試劑廠），升華硫（天津市福晨化學(xué)試劑廠），硫代硫酸鈉（天津市化學(xué)試劑三廠），無(wú)水乙醇（西安試劑廠），實(shí)驗(yàn)用水為雙重去離子水。所有化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 RGO/nano-S復(fù)合材料的制備

1.2.1 氧化石墨的制備 本文中的氧化石墨是由改進(jìn)的 Hummers 法所制備的[10]，將2g天然石墨粉加入裝有86ml濃硫酸（98%）的燒杯中，然后把燒杯置于冰浴并在攪拌下分次加入6gKMnO4，再轉(zhuǎn)移到35℃水浴中反應(yīng)2h，然后加入180ml去離子水，控制反應(yīng)液在98℃，繼續(xù)攪拌15min，然后加入560ml去離子水將反應(yīng)終止。再加入25ml雙氧水（30% H2O2)，溶液反應(yīng)至呈現(xiàn)金黃色即可，將所得溶液離心、洗滌至中性，產(chǎn)物即為氧化石墨，標(biāo)記為 GO（grapheneoxide）。

1.2.2 RGO的制備 取適量GO置于一鋼制密封罐中，向其通入氬氣后轉(zhuǎn)移至800℃的馬弗爐中，保溫30 s，待降溫后取出，即得石墨烯，命名為RGO。

1.2.3 RGO/nano-S的制備 取適量RGO超聲分散于去離子水中，以硫代硫酸鈉為硫源，按照碳硫質(zhì)量比為4:6將適量硫代硫酸鈉加入到RGO分散液中后，緩慢加入濃度為1 mol·L-1鹽酸溶液到上述混合溶液中并適當(dāng)過(guò)量，攪拌反應(yīng)30 min。然后將溶液進(jìn)行過(guò)濾，醇洗、水洗，于55℃干燥。待干燥后，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，通入氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)氣，于158℃保溫10 h，降溫后獲得石墨烯/納米硫復(fù)合材料，記為RGO/nano-S。

1.3 電極的制備

按照活性材料（RGO/nano-S）:Super P（炭黑導(dǎo)電劑）:黏結(jié)劑8:1:1（質(zhì)量比）的比例混合研磨均勻后，加入適量-甲基吡咯烷酮，調(diào)勻成漿狀后均勻涂覆在鋁箔上，在 80℃下真空干燥至恒重，沖裁后得到正極電極片。正極片直徑為 12.5 mm，面積為 1.23 cm2，每個(gè)電極片上擁有 1.7～1.8 mg 的活性物質(zhì)。

以正極片為研究電極，鋰片為對(duì)電極，聚丙烯多孔膜（Celgard 2400）為隔膜，1 mol·L-1LiN(CF3SO2)2[二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰，簡(jiǎn)寫(xiě)為?LiTFSI]/DOL(1，3-二氧戊環(huán))+DME(乙二醇二甲醚) [1%（質(zhì)量）LiNO3]為電解液，在充滿氬氣的手套箱中組裝成 CR2025 型扣式電池。采用電化學(xué)工作站（CHI660D，上海辰華公司）對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)伏安（CV）與交流阻抗（EIS）測(cè)試，電壓掃描范圍為1.0～3.1 V，掃描速率為0.5 mV·s-1；EIS 測(cè)試的頻率范圍為0.001～100000 Hz，正弦激勵(lì)信號(hào)振幅為 5 mV。實(shí)驗(yàn)電池的恒流充放電測(cè)試采用新威高精度電池測(cè)試系統(tǒng)（Neware BTS型，深圳市新威電池檢測(cè)設(shè)備有限公司），電壓范圍為 1.5～3.0 V。

1.4 測(cè)試儀器及方法

采用日本島津公司XRD-6100 型X射線衍 射儀（XRD）對(duì)樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)連 續(xù)掃描的方式，在 5°～80°范圍內(nèi)掃描，銅靶 Kα輻射，波長(zhǎng)1.54178 nm，管電壓40 kV，管電流150 mA，步長(zhǎng)為0.02°。采用美國(guó)TESCAN公司VEGA-3-SBU-EasyProbe型電子顯微鏡（SEM），其加速電壓為15 kV，對(duì)材料的形貌進(jìn)行觀察和比較。采用日本電子株式會(huì)社（JEOL）的JEM-3010型透射電鏡觀察材料的形貌、分散情況。采用日本島津公司的傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR），KBr壓片法制樣，在4000～400 cm-1區(qū)域內(nèi)測(cè)試。采用Renishaw inVia Reflex 型共聚焦顯微拉曼光譜儀（Raman）進(jìn)行材料的拉曼表征，發(fā)射波長(zhǎng)為532 nm。采用德國(guó) Vario EL cube型元素分析儀檢測(cè)正極材料中N、S、C元素的含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 石墨烯的表征

2.1.1 石墨烯的FT-IR表征 圖1為原料石墨、GO、和RGO的紅外譜圖。石墨在1638 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)石墨晶體sp2結(jié)構(gòu)中CC的伸縮振動(dòng)。通過(guò)Hummers法制備的氧化石墨烯GO在3413 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，是由OH的伸縮振動(dòng)引起；在1722 cm-1處的吸收峰歸屬于氧化石墨烯羧基上CO的伸縮振動(dòng)；1064 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)于COC的振動(dòng)，而864 cm-1附近的吸收峰由環(huán)氧基所致。RGO在3000～3700 cm-1范圍內(nèi)存在一個(gè)較弱的吸收峰，可能是少量的水分子和部分未被還原的OH所致，同時(shí)在1637 cm-1附近出現(xiàn)CC的吸收峰，而其他含氧官能團(tuán)的吸收峰變?nèi)跎踔料?。通過(guò)比較石墨、GO和RGO的FT-IR紅外譜圖線，熱解法所制的石墨烯的含氧基團(tuán)已經(jīng)較為徹底脫去。

圖1 石墨、GO和RGO的FT-IR譜圖

2.1.2 石墨烯和石墨烯/納米硫的XRD表征 圖2為原料石墨、GO、RGO、S和RGO/nano-S的XRD譜圖，從圖中可知，石墨在226°的位置出現(xiàn)一個(gè)明顯的（002）特征衍射峰，峰形尖銳且強(qiáng)度大，表明石墨具有很好結(jié)晶性；經(jīng)過(guò)氧化后，（002）特征峰消失，在10.8°出現(xiàn)了屬于GO的（001）特征峰[13]，表明石墨的晶體結(jié)構(gòu)在氧化后已遭到破壞。而通過(guò)熱解還原方法獲得的RGO在26°出峰，與石墨特征峰位置相近，但衍射峰明顯變寬，強(qiáng)度下降，呈現(xiàn)出石墨烯的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。這可能是由于經(jīng)還原后，石墨片層尺寸變小，晶體的完整性下降，使之呈現(xiàn)無(wú)定形碳結(jié)構(gòu)。石墨烯/納米硫復(fù)合材料與單質(zhì)硫特征衍射峰基本重合，說(shuō)明硫被負(fù)載到了復(fù)合材料中，并且納米硫以結(jié)晶態(tài)的形式存在。

圖2 石墨、GO、RGO、S和RGO/nano-S的XRD譜圖

2.1.3 石墨烯和石墨烯/納米硫的微觀形貌表征 圖3（a）是RGO的SEM圖。從圖可以看出熱解法還原的RGO呈現(xiàn)手風(fēng)琴褶皺狀，并清晰顯示石墨片層已剝離，且片層發(fā)生了明顯的卷曲和褶皺，可能是熱還原脫除石墨層間含氧基團(tuán)后，層間位阻下降，導(dǎo)致片層表面發(fā)生形變。這些褶皺的產(chǎn)生形成容納硫及多硫離子的空間，有助于抑制和緩解硫及多硫離子的遷移。顯然熱解法所制備的RGO更適合活性物質(zhì)硫的分散。

圖3 RGO的SEM圖和RGO/nano-S的TEM圖及能譜圖

為了考察化學(xué)沉淀法對(duì)石墨烯覆硫的效果，對(duì)RGO/nano-S材料進(jìn)行了TEM表征。從圖3(b)可以清晰地看出石墨烯的片層結(jié)構(gòu)，與由SEM圖所推斷的熱解法制備的石墨烯片層效果相符合。且硫顆粒以小于100 nm的尺寸均勻沉積在石墨烯片層上，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。均勻分布及尺寸細(xì)小的納米硫能更好地與電解液接觸，其電化學(xué)反應(yīng)面積更大，有助于充放電過(guò)程中離子、電子的快速傳 導(dǎo)[14-15]，可提高鋰硫電池的電化學(xué)性能。圖3(c)能譜圖顯示，該點(diǎn)具有硫元素和碳元素的峰，硫峰對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)處的納米硫，碳峰對(duì)應(yīng)于該處的石墨烯片層，表明納米硫已負(fù)載到石墨烯片層上。

通過(guò)對(duì)RGO/nano-S復(fù)合材料進(jìn)行元素分析測(cè)試，結(jié)果表明，復(fù)合材料中含硫量為57%。

2.1.4 石墨烯的Raman表征 拉曼光譜是一種快速有效地表征碳基材料的重要手段。圖4分別為石墨、GO和RGO的拉曼光譜圖。從圖中可以清楚地看出，石墨僅有一個(gè)顯著的G峰，而GO、RGO樣品均存在兩個(gè)明顯的峰：位于1350 cm-1的D峰及位于1596 cm-1的G峰。

圖4 石墨、GO及RGO的拉曼光譜圖

D峰為碳材料無(wú)序誘導(dǎo)的拉曼特征[16]，為缺陷峰。G峰對(duì)應(yīng)于sp2雜化鍵合的石墨碳原子中的E2g光學(xué)模一階拉曼散射，是石墨的一個(gè)本征拉曼模式，代表的是完整的sp2片層結(jié)構(gòu)[17]。D/G可為碳材料晶體結(jié)構(gòu)有序度及晶粒尺寸的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18-19]。D/G值越大，表明材料具有越多的缺陷，其有序度越低。石墨的拉曼光譜只存在一個(gè)尖銳的G峰，基本看不出D峰的存在，表明石墨的碳原子結(jié)構(gòu)排列規(guī)整，晶體結(jié)構(gòu)完美。當(dāng)石墨被氧化成GO，于1350 cm-1出現(xiàn)了D峰，而且G峰變寬，D/G值增大（D/G0.80），表明石墨經(jīng)氧化后結(jié)構(gòu)的無(wú)序度上升。當(dāng)GO被剝離還原成RGO后，D/G值（D/G0.86）進(jìn)一步增大，這可能是由于GO還原成RGO過(guò)程中引起了石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷，更多的石墨片層邊緣被暴露，導(dǎo)致晶體尺寸下降。D/G值越大，其缺陷越多，能提供更多的活性位點(diǎn)，有利于負(fù)載的硫的分散。

2.2 電化學(xué)性能分析

為了考察以熱解法還原的石墨烯通過(guò)化學(xué)法覆載硫所制備的石墨烯/納米硫（RGO/nano-S）復(fù)合材料的電化學(xué)性能，組裝了實(shí)驗(yàn)電池，并進(jìn)行了較為系統(tǒng)的電化學(xué)性能測(cè)試。

圖5為RGO/nano-S正極復(fù)合材料在0.5 mV·s-1掃描速率下的3次循環(huán)伏安(CV)曲線，掃描范圍為1.0～3.1 V。從圖中可以看出，活性物質(zhì)硫與鋰的反應(yīng)是一個(gè)多步反應(yīng)過(guò)程[20]。負(fù)向掃描在?2.25 V以及1.86 V處分別出現(xiàn)2個(gè)還原峰，其中2.25 V處的還原峰對(duì)應(yīng)于硫向長(zhǎng)鏈多硫化鋰（LiS，4～8）轉(zhuǎn)化的過(guò)程，1.86 V處還原峰對(duì)應(yīng)的是長(zhǎng)鏈多硫化鋰向短鏈多硫化鋰（LiS，2～4）和硫化鋰（Li2S）進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的過(guò)程。正向掃描在2.5 V出現(xiàn)的尖銳氧化峰對(duì)應(yīng)于多硫化鋰和Li2S氧化為硫的過(guò)程[21-22]。

圖5 RGO/nano-S復(fù)合材料的循環(huán)伏安曲線

比較3次CV循環(huán)曲線發(fā)現(xiàn)，隨著掃描次數(shù)的增加，還原峰、氧化峰的位置基本不變，這可能是由于納米硫尺寸小，能夠緩沖電極由充放電過(guò)程中引起的體積膨脹，從而保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，表明復(fù)合材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖6為RGO/nano-S正極復(fù)合材料在室溫0.1C倍率下的前兩次充放電曲線。由圖可看出，每條放電曲線上均有2個(gè)平臺(tái)，第1個(gè)放電平臺(tái)在2.30 V左右，第2個(gè)放電平臺(tái)在2.08 V左右，可以發(fā)現(xiàn)RGO/nano-S的電壓平臺(tái)與其循環(huán)伏安曲線的還原峰位置幾乎對(duì)應(yīng)。

圖6 RGO/nano-S在0.1C倍率下前兩次充放電曲線

從圖7可以看出，RGO/nano-S材料在室溫0.1C倍率下的首次放電比容量為1578.2 mA·h·g-1，經(jīng)55次的循環(huán)后，比容量為712.7 mA·h·g-1，RGO/nano-S材料的庫(kù)侖效率穩(wěn)定在95%以上。這可能由于熱解制得石墨烯的特殊褶皺形貌不僅使硫能更牢固地附著在片層上，還有效地抑制了多硫離子的遷移，減小活性物質(zhì)的流失；同時(shí)，均勻分布的納米硫能更好地與電解液接觸，其電化學(xué)反應(yīng)面積更大，提高了鋰硫電池的電化學(xué)性能。

圖7 RGO/nano-S在0.1C倍率下循環(huán)壽命曲線

為了進(jìn)一步研究RGO/nano-S的電化學(xué)性能，對(duì)其進(jìn)行了室溫不同倍率下的充放電實(shí)驗(yàn)。圖8為RGO/nano-S復(fù)合材料在0.1C～1C倍率下的循環(huán)壽命曲線。由圖8可知，電池在0.1C倍率下充放 電循環(huán)20 次，放電容量基本上保持在900.0 mA·h·g-1以上；接著在0.2C倍率下充放電循環(huán)10次，放電容量保持在607.0 mA·h·g-1左右；繼續(xù)在1C倍率下循環(huán)10次，放電容量仍保持在453 mA·h·g-1。當(dāng)電流密度回到0.1C時(shí)，放電容量迅速恢復(fù)到630.0 mA·h·g-1以上，表明RGO/ nano-S復(fù)合材料具有較好的倍率性能。這應(yīng)該是由于石墨烯的高電子電導(dǎo)率為硫活性物提供快速交換電子的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以及納米硫的尺寸小，有利于縮短離子在其中的擴(kuò)散路徑、促進(jìn)電荷的傳輸與轉(zhuǎn)移，使其在大電流下充放電時(shí)電子、離子仍然能快速交換。進(jìn)而改善了該材料作為鋰硫電池的倍率循環(huán)性能。

圖8 RGO/nano-S在不同倍率下的循環(huán)壽命曲線

RGO/nano-S復(fù)合正極材料具有較高的首次放電比容量及較好的倍率性能，與其電極/電解液界面特性有很大關(guān)系。圖9為RGO/nano-S復(fù)合正極材料電極在0.1C倍率下循環(huán)40次前后的交流阻抗曲線，并通過(guò)擬合它們的交流阻抗曲線得到等效電路[23]。曲線在橫軸上的截距對(duì)應(yīng)著的是接觸阻抗（Ω），包括活性物質(zhì)固有的阻抗、電解液的離子阻抗和電極/電解液的界面阻抗，而高頻區(qū)的半圓對(duì)應(yīng)著電極材料的傳荷阻抗（ct），低頻區(qū)的斜線對(duì)應(yīng)的是Warburg阻抗[24-25]。從圖9及表1可以看出，RGO/nano-S復(fù)合正極材料循環(huán)前后的傳荷阻抗（ct-before31.36 Ω，ct-after7.975 Ω）都明顯較低。而RGO/nano-S放電后的阻抗（ct-after7.951Ω）更小，可能是由于放電前，正極為富硫態(tài)，加之活性硫的絕緣性及其與電解液接觸的并不充分，故而阻抗會(huì)較大，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯使得電解液與活性硫的接觸更加充分，電化學(xué)反應(yīng)面積大大增加，因而電荷傳遞電阻逐漸減小。導(dǎo)電性能優(yōu)異的石墨烯的加入能形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，為納米硫活性物質(zhì)反應(yīng)提供充足的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，促進(jìn)了RGO/nano-S復(fù)合正極材料在充放電過(guò)程中電子的快速傳輸，從而明顯提高了硫活性 物質(zhì)的利用率，改善了鋰硫電池的循環(huán)性能和倍率性能。

圖9 RGO/nano-S的交流阻抗曲線

表1 交流阻抗擬合參數(shù)

3 結(jié) 論

（1）采用熱解法將Hummers法制備的氧化石墨烯還原為褶皺狀石墨烯。通過(guò)化學(xué)沉淀法將小于100 nm的硫均勻負(fù)載到石墨烯片層上，獲得石墨烯/納米硫復(fù)合材料。

（2）通過(guò)電化學(xué)性能測(cè)試，該樣品在室溫0.1C倍率下的首次放電比容量為1578.2 mA·h·g-1，經(jīng)55次的循環(huán)后，比容量為712.7 mA·h·g-1，還具有良好的倍率放電性能。這一方面是由于褶皺狀石墨烯的特殊形貌有利于硫的負(fù)載且有助于抑制多硫離子的遷移，以及導(dǎo)電性能優(yōu)異的石墨烯提供了高速導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，體系中電子/離子能夠快速地傳輸。另一方面是納米硫更能促進(jìn)硫容量的發(fā)揮，由于納米硫的尺寸小，有利于縮短離子在其中的擴(kuò)散路徑、促進(jìn)電荷的傳輸與轉(zhuǎn)移，有利于吸附更多的電解液、增加電極與電解液的界面反應(yīng)位置，并且納米硫尺寸小，能夠緩沖電極由充放電過(guò)程中引起的體積膨脹，從而保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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

國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（2015DFR50350）；陜西省教育廳自然科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)（15JK1538）。

2016-05-03收到初稿，2016-06-21收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：楊蓉（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).