[发明专利]硫氮掺杂单原子钴负载多孔碳硫复合正极材料的制备和应用

说明书

本发明提供一种硫氮掺杂单原子钴负载多孔碳硫复合正极材料的制备和应用。利用钴离子、多巴胺和硫脲之间的相互作用高温热解后得到硫氮掺杂单原子钴负载多孔碳，通过硫氮共同掺杂调整催化剂活性位点电子结构，提高单原子钴催化活性，再通过多孔碳基底与单原子之间的配位作用，协同发挥多孔空心碳的物理吸附和单原子钴的催化效应，极大地降低了多硫化物的溶出，提高了电池的循环稳定性，提高了电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属新能源技术领域，具体涉及一种硫氮掺杂单原子钴负载多孔碳硫复合正极材料的制备和应用。

背景技术

随着石油资源的枯竭，电能势必成为未来世界的主要能源之一。开发能够长期稳定地储存可持续能源、非常长的循环寿命和满足环境限制的电池是现代电化学面临的一个重要挑战，由于锂离子电池的高比容量，优异的倍率性能，和可靠的安全性。因此研发新型先进的锂离子电池对提高我们的生活质量是非常重要的。目前锂硫电池在能量密度方面具有绝对优势(基于锂负极和硫正极算出来的理论值约为2600Whkg^-1是商用石墨-钴酸锂锂离子电池387Whkg^-1的五倍之多，实际应用能量密度仍有400至600Wh/kg)并且其原料丰富，环境友好等特点引起了广泛的关注和研究。

硫正极材料是锂硫电池的关键组成部分，存在以下三个主要的问题：一，硫和各种放电产物(Li₂S_x，x＝1-8)显示了差的离子和电子电导率，增加了电池内阻和电极极化。二，电化学过程中，形成的多硫化物(Li₂S₄-Li₂S₈)易与有机电解质反应或溶解，穿梭至负极造成正极容量不可逆减小，降低电池性能。三，在循环过程中硫正极体积变化过大，S₈(2.07gcm^-3)和Li₂S(1.66gcm^-3)放电过程中体积膨胀79％，导致粉碎而容量极度衰减。为了构建高电导率和稳定循环性的正极材料，各种过渡金属掺杂多孔空心碳材料被用于硫负载，以增加正极的导电性、缓解体积变化、提高正极对多硫化物(Li₂S_x x＝4～8)的吸附能力，降低锂硫电池的穿梭效应。

发明内容

本发明目的是为了提供一种硫氮掺杂单原子钴负载多孔碳硫复合正极材料的制备和应用。首先利用硫氮共掺杂配位调整活性位点电子结构，提高单原子钴催化活性，再通过多孔碳基底与单原子之间的配位作用，协同发挥多孔空心碳的物理吸附和单原子钴的催化效应，极大地降低了多硫化物的溶出，提高了电池的循环稳定性。

硫氮掺杂单原子钴负载多孔碳硫复合正极材料，其特征在于金属和聚合物螯合材料衍生的钴单原子分散的空心碳球，硫氮共掺杂单原子钴，分散在整个碳壳上，活性硫分布在腔体内，复合材料中碳的含量为10％～40％，单原子Co含量为0.001％～10％，硫的含量为50％～90％。

所述硫氮掺杂单原子钴负载多孔碳硫复合正极材料，中空纳米球半径为50～800nm,碳壳厚度为5～50nm，碳材料中微孔为0～2nm，介孔为2～50nm，比表面积为100～1000m² g^-1，孔体积为0.1～2cm³ g^-1。

硫氮掺杂单原子钴负载的多孔碳硫复合正极材料的制备方法，首先通过改进的方法合成氧化硅模板，在氧化硅模板外包覆上一层聚多巴胺同时螯合钴源，在分离提纯后与硫源以一定比例混合，经煅烧、移除模板，热处理载硫后得到所述材料，包括以下步骤：