[發明專利]一種金屬原子-非金屬原子共摻雜石墨烯催化劑、其制備方法、正極材料和鋰硫電池

在審

• 申請號: 202010559379.5
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111682214A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發明（設計）人: 季恒星;謝帥;杜真真;金洪昌
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M10/052;B01J35/10;B01J27/24
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 劉穎

本發明提供了一種金屬原子?非金屬原子共摻雜石墨烯催化劑、其制備方法、正極材料和鋰硫電池，該催化劑以石墨烯為主體，所述石墨烯主體摻雜有金屬原子和非金屬原子，所述金屬原子和非金屬原子配位分布在石墨烯晶格內；所述金屬原子為單原子或多原子。該催化劑能夠催化含硫物種間的轉換，限制多硫化物的穿梭。該催化劑有著接近100％的催化活性中心原子利用率，能在不影響電池能量密度的前提下最大限度的發揮其催化性能。本發明正極材料能夠增加電池的循環壽命和硫的利用率，提高鋰硫電池的性能。實驗顯示，本發明提供的鋰硫電池有著較好的比容量和循環性能。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，尤其涉及一種金屬原子-非金屬原子共摻雜石墨烯催化劑、其制備方法、正極材料和鋰硫電池。

背景技術

隨著移動電子設備的普及以及電動汽車的快速發展，傳統的鋰離子電池由于其有限的能量密度已經難以滿足日益增長的能源與市場需求，因此必須開發新的電化學儲能體系。

鋰硫電池具有理論比容量和能量密度高、成本低等特點，被認為是最有發展潛力的下一代電池體系之一。鋰硫電池正極材料一般包括硫、催化劑、導電劑、粘結劑等，負極為金屬鋰片。然而，其中多硫化物的“穿梭效應”極大的降低了鋰硫電池的循環壽命和硫的利用率，限制了鋰硫電池性能的發揮。并且，鋰硫電池的充放電過程本身是一個涉及多電子轉移、固相與液相中間產物相互轉換的復雜過程，加上作為正極活性物質的S₈及其放電產物Li₂S₂/Li₂S為電子和離子的絕緣體，造成了電池內部的電化學反應在動力學上十分緩慢，這直接加劇了多硫化物的穿梭，嚴重阻礙了鋰硫電池的實際應用。因此，提高含硫物相的氧化還原反應動力學對于提升鋰硫電池的性能至關重要。

對于正極材料，采用多孔結構進行物理限域或是極性基團進行化學吸附的策略在一定程度上能限制多硫化物的穿梭，但無法提高含硫物相的轉換效率，難以從根本上解決上述問題。所以，近年來研究者們合成了一系列催化劑，包括金屬顆粒、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬硫化物、異質結等，用來提高含硫物相氧化還原反應的動力學。盡管這些催化劑能加快含硫物相間的轉換速率，減弱多硫化物的“穿梭效應”，但是這些催化劑活性位點有限，結構復雜，且大多需要與導電碳材料進行復合而形成正極材料。這些催化劑的大量添加將使正極硫的負載量降低，導致降低電池的能量密度，不利于鋰硫電池的實用化發展。

發明內容

有鑒于此，本申請提供一種金屬原子-非金屬原子共摻雜石墨烯催化劑、其制備方法、正極材料和鋰硫電池，本發明提供的催化劑具有豐富的催化位點，與單質硫組成正極材料后，能提高含硫物相的氧化還原反應的動力學，使鋰硫電池具有較好的比容量和循環性能。

本發明提供一種金屬原子-非金屬原子共摻雜石墨烯催化劑，其以石墨烯為主體，所述石墨烯主體摻雜有金屬原子和非金屬原子，所述金屬原子和非金屬原子配位分布在石墨烯晶格內；所述金屬原子為單原子或多原子。

優選地，所述石墨烯主體為氧化石墨烯高溫熱還原得到的石墨烯。

優選地，所述金屬原子選自過渡金屬原子，優選為鈷、鐵、鎳、鋅、銅、鉑、金、釩、鉻、錳、鈦、鈀和釕中的一種或多種。

優選地，所述非金屬原子為氮、磷和硫中的一種或多種。

優選地，所述金屬原子含量0.02at.％～2at.％；所述非金屬原子含量為2 at.％～20at.％。

本發明提供一種金屬原子-非金屬原子共摻雜石墨烯催化劑的制備方法，包括以下步驟：

在超聲條件下，將氧化石墨烯粉體與單一的金屬鹽分散在溶劑中，經過干燥，得到混合物；所述氧化石墨烯粉體與金屬鹽的質量比為100：(0.1～3)；

在惰性氣氛中，將所述混合物與非金屬前驅體混合后進行高溫退火，得到金屬原子-非金屬原子共摻雜石墨烯催化劑。