[發明專利]一種單原子銅催化劑的制備方法及其在鋰硫電池正極中的應用

有效

• 申請號: 202010629581.0
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111974430B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 孫振華;肖茹;陳克;楊珍珍;李峰;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/06;B01J37/02;H01M4/13;H01M10/052;H01M10/42;D01F9/16
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種單原子銅催化劑的制備方法及其在鋰硫電池正極中的應用，屬于電池材料技術領域。本發明通過高溫氨氣處理將泡沫銅上的銅原子捕獲并遷移至碳纖維基體上，制備負載有單原子銅的氮摻雜碳纖維泡沫材料，并將其作為鋰硫電池中正極硫的載體材料。本發明制備的單原子銅催化劑，使鋰硫電池在高硫載量下具有較快的反應動力學、優異的容量發揮和循環穩定性。本發明制備工藝流程簡單，為單原子催化劑在鋰硫電池中的應用提供了廣闊的前景。

技術領域:

本發明涉及電池材料技術領域，具體涉及一種單原子銅催化劑的制備方法及其在鋰硫電池正極中的應用。

背景技術:

硫具有自然儲量豐富、環境友好、理論容量高(1675mAh/g)等特點，是理想的電池正極材料。鋰硫電池具有高的理論能量密度(2600Wh/kg)，可滿足未來儲能器件的能量密度需求。但是，硫作為正極材料時仍面臨很大的挑戰。硫及放電產物Li₂S/Li₂S₂是電子絕緣體，從而導致電化學過程中活性物質的不完全轉化，利用率較低。此外，中間產物多硫化鋰(Li₂S_x，3≤x≤8)可溶于電解液，在電場力和濃度梯度作用下，穿梭于正負極之間，引發電池容量快速衰減、庫倫效率低等諸多問題。目前廣泛使用的方法是用導電性好的碳材料與硫復合來增加硫正極的電導率，并在碳材料基體上負載過渡金屬催化劑。催化劑在吸附可溶性多硫化鋰的同時加快多硫化鋰的轉化動力學，從而抑制穿梭效應。此外，催化劑還能加速電池充電時Li₂S/Li₂S₂的氧化動力學，提升活性物質的利用率。

目前負載型過渡金屬催化劑的尺寸通常在納米級。由于吸附和催化過程主要發生在催化劑顆粒的表面，而納米級顆粒的表面原子僅占總原子數的很少一部分，導致催化劑利用率較低。催化劑在鋰硫電池中屬于非活性組分，提高催化劑的原子利用率有助于提升鋰硫電池整體的能量密度。金屬單原子催化劑呈原子級分散并鑲嵌在基體上，具有理論上100％的原子利用率，大量配位不飽和的活性位點，以及最大化的催化劑-基體相互作用。無論從催化效率還是電池能量密度，金屬單原子催化劑相比納米級催化劑都具有很大的優勢。因此，合理利用材料制備手段，將金屬單原子催化劑負載于碳材料基體上，并與硫進行復合，可以極大提升硫正極的轉化反應動力學，提高鋰硫電池的電化學性能。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種單原子銅催化劑的制備方法及其在鋰硫電池正極中的應用，制備了均勻負載于氮摻雜碳纖維泡沫基體上的單原子銅催化劑，該催化劑加快了硫正極的轉化反應動力學，降低了電池極化，提升了活性物質利用率，同時減少了非活性物質組分。所制備的單原子銅/氮摻雜碳纖維泡沫/硫復合正極，在高硫載量下具有優異的容量發揮和循環穩定性。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種單原子銅催化劑的制備方法，該方法包括如下步驟：

(1)將天然棉花依次進行清洗和干燥，將干燥好的棉花與泡沫銅一起放入管式爐中，先后在保護氣氛和氨氣氣氛下進行高溫處理，獲得負載有單原子銅催化劑的氮摻雜碳纖維泡沫；

(2)將硫粉、多壁碳納米管和碳黑按比例均勻混合后加入到適量溶劑中，以混合研磨和超聲分散后得到活性物質懸浮液；將負載有單原子銅催化劑的氮摻雜碳纖維泡沫浸入懸浮液一段時間后取出，干燥后即獲得單原子銅催化劑/氮摻雜碳纖維/硫復合正極材料。

步驟(1)中，將天然棉花進行清洗以去除雜質，清洗過程為：將天然棉花浸于濃度為0.5-5mol/L的稀鹽酸、稀硝酸或稀硫酸中磁力攪拌30-60分鐘后取出，再浸于蒸餾水中磁力攪拌1-2小時取出，最后浸于無水乙醇中磁力攪拌1-2小時后取出；清洗后的棉花放入40-80℃烘箱中干燥24-48小時。

步驟(1)中，放入管式爐中的棉花與泡沫銅質量比為1:5至1:20，沿管式爐管身軸向方向分開擺放，其中泡沫銅靠近管式爐進氣一側。