[發明專利]一種鋰硫電池硫正極的單原子催化劑材料的制備方法

在審

• 申請號: 202211052002.6
• 申請日: 2022-08-31
• 公開（公告）號: CN115360352A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 閆霄;顧洪飛;劉小雨;譚春梅;王敏;李彥娟
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62
• 代理公司: 北京淮海知識產權代理事務所(普通合伙) 32205
• 代理人: 李妮

一種鋰硫電池正極單原子催化劑材料的制備方法，包括以下步驟：將碳源溶于有機溶劑，再加入有機酸，攪拌形成混合溶液；取混合溶液加入到介孔模板劑中，浸漬過夜，低溫老化后再高溫老化，烘干得到樣品Ⅰ；將樣品Ⅰ進行燒結處理，自然冷卻得到樣品Ⅱ；將金屬源和有機配體混合后加入到純甲醇中，攪拌后再加入氮源，攪拌成均勻溶液；將樣品Ⅱ加入到均勻溶液中，依次經過蒸發、燒結、刻蝕、洗滌、抽濾、干燥即得單原子催化劑材料。該方法制備工藝綠色簡單、成本低、反應時間短，所得到的單原子催化劑材料能充分與硫復合，所得到的復合材料不僅能增強電極的電導率，還能通過物理限域的方式固定硫，將其作為鋰硫電池正極材料時表現出優異的電化學性能。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池電極材料技術領域，具體涉及一種鋰硫電池硫正極的單原子催化劑材料的制備方法。

背景技術

隨著電子市場的不斷發展，鋰離子電池(LIBs)已經不能滿足當前對儲能體系的要求。為了使電動汽車和一些電子設備快速地發展，迫切需要新一代高能量密度的儲能體系來替代現有的LIBs。鋰硫電池(Li-S)由于較高的理論能量密度和較低的硫原料成本，作為下一代能量存儲設備具有巨大的潛力。此外，硫還具有天然豐富和無毒的優點，可以提供高比容量(1675mAhg^-1)。但是，Li-S電池的商業化一直受到一些固有障礙的困擾。硫及其最終放電產物(Li₂S/Li₂S₂)的絕緣性導致活性材料的利用率低。而在循環過程中體積變化嚴重(約80％)，導致循環穩定性差。此外，可溶性多硫化鋰(LiPs)引起的所謂的穿梭效應一直被認為是其最主要的瓶頸。因此，開發一種有效的技術來增強多硫化鋰在硫正極的固定是勢在必行的。

正極改性的研究主要集中在，將硫分子包裹到各種碳主體的孔隙中，可以在物理作用上阻礙擴散以緩解穿梭現象。然而，碳載體的物理吸附只能對非極性S₈提供弱的相互作用，極性LiPs將不可避免地溶解到電解質中。

發明內容

本發明的目的是提供一種鋰硫電池硫正極的單原子催化劑材料的制備方法，該方法制備工藝綠色簡單、成本低、反應時間短，所制備得到的單原子催化劑材料能夠充分與硫復合，所得到的復合材料不僅可以增強電極的電導率，電化學容量高，還可以通過物理限域的方式固定硫，將其作為鋰硫電池正極材料時可表現出優異的電化學性能。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種鋰硫電池硫正極的單原子催化劑材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將碳源溶于有機溶劑，再加入有機酸，攪拌形成混合溶液；

(2)取步驟(1)制備得到的混合溶液加入到介孔模板劑中，浸漬一段時間，然后低溫老化后再高溫老化，最后烘干得到樣品Ⅰ；

(3)將樣品Ⅰ在燒結氣氛中進行燒結處理，自然冷卻到室溫得到樣品Ⅱ；

(4)將金屬源和有機配體混合后加入到純甲醇中，攪拌后再加入氮源，再攪拌成均勻溶液；

(5)將樣品Ⅱ加入到步驟(4)得到的均勻溶液中，依次經過蒸發、在燒結氣氛中進行燒結、刻蝕、洗滌、抽濾、干燥即得到單原子催化劑材料。

優選的，步驟(1)中，有機酸為草酸或甲酸；碳源為糖醇、葡萄糖、蔗糖中的一種；所述碳源和有機酸分別在混合溶液中的質量濃度為9-11％和70-90％。

優選的，步驟(2)中，介孔模板劑為SBA-15，混合溶液與介孔模板劑之間的質量比范圍為1：(1-4)，浸漬溫度為25-35℃，浸漬時間為10-12h。

優選的，步驟(2)中，低溫下老化參數為：老化溫度為40-50℃，老化時間為16-18h；高溫老化參數為：老化溫度為90-120℃，老化時間為19-23h；烘干溫度為50-60℃，烘干時間為12-14h。