[发明专利]一种单原子电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种单原子电催化剂及其制备方法和应用。此发明属于锂离子电池领域。本发明主要制备了以负载单原子的碳为多硫化物电催化剂的锂硫电池正极材料，通过熔融灌硫的方式实现了硫与催化剂的复合正极，碳孔腔骨架结构可以很好地容纳高载量的硫和物理限制多硫化物的穿梭，单原子电催化剂可以极大地加快多硫化物的催化转化，从而抑制多硫化物的穿梭效应和利用率，最终获得高容量，高倍率和长循环的锂硫电池。有利于锂硫电池的商业化应用。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池领域，且特别涉及一种单原子电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着传统锂离子电池的能量密度已经接近了其理论能量密度的极限(372mAh g^-1)，急需扩展新的能源体系实现高里程高，安全的未来交通和自动驾驶汽车能源存储需求的新型储能设备。硫单质来源十分广泛，价格便宜，环境友好，其理论高达1675mAh g^-1，被认为是最具有前景的锂离子电池之一。

尽管锂硫电池存在诸多的优点，但是其实用化还面临着一系列重要的问题，例如硫的导电性能差，硫在充放电过程中体积膨胀严重，多硫化物穿梭以及反应动力学慢等。因此各种各样的具有优异导电性能碳材料用来改善硫正极的性能。例如活性炭，石墨烯，碳纳米管等。但是由于他们低的极性，弱的催化活性使的他们对多硫化物的吸附能力较弱，无法促进多硫化物的转化，使的锂硫电池的容量和循环寿命达不到要求。因此急需在保证优异导电性能的基础上，提高碳材料对多硫化物的固硫能力，提高其催化转化效果，从而实现一种高容量和长循环的锂硫电池

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高催化活性和吸附能力的单原子锂硫电池催化剂正极材料及其制备方法，本发明主要制备了以负载单原子的碳为多硫化物电催化剂的锂硫电池正极材料，通过熔融灌硫的方式实现了硫与催化剂的复合正极，碳孔腔骨架结构可以很好地容纳高载量的硫和物理限制多硫化物的穿梭，单原子电催化剂可以极大地加快多硫化物的催化转化，从而抑制多硫化物的穿梭效应和利用率，最终获得高容量，高倍率和长循环的锂硫电池。有利于锂硫电池的商业化应用。此正极材料具有高分散的催化活性位点，强的多硫化物化学吸附能力，能够显著提高锂硫电池的容量和循环寿命，此方法可广泛适用于其他硫族金属电池，如钠硫电池，钾硫电池等。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提供了一种单原子电催化剂，所述单原子电催化剂包括单原子和单原子载体，单原子的含量为0.5％-20％，单原子载体与单原子的键合方式为氧键，氮键，硫键方式的一种或者几种；

所述单原子为锌，钴，镍，铁，锰，铟中的一种或者几种混合物；

所述单原子载体为石墨烯碳，碳壳，炭黑，碳纳米管，洋葱碳中的一种或几种。

本发明提供了一种单原子电催化剂正极材料，所述单原子电催化剂正极材料通过熔融灌硫的方式使硫粉与催化剂混合得到的复合正极，其中，单原子催化剂和硫粉的质量比为1:1-5，加热温度为120℃-200℃，加热气氛为氮气，氩气，空气中的一种或几种的混合气，加热时间为10h-24h。

本发明提供了一种单原子电催化剂的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、将金属盐溶解到水溶液当中，形成盐溶液；

步骤二、将步骤一中的盐溶液与高分子水溶液混合，并在一定的温度条件下加热搅拌，形成均一的混合溶液；

步骤三、将步骤二中的混合溶液加入到单原子载体当中，搅拌一定时间，并冷冻干燥一定时间后进行退火处理，得到单原子电催化剂。

所述步骤一中盐溶液的浓度为1-20mmol L^-1。盐溶液的种类为锌，钴，镍，铁，锰，铟硝酸盐中的一种或者几种混合物.；金属盐为硝酸盐，硫酸盐，碳酸盐，醋酸盐中的一种或者几种的混合物；