[发明专利]一种用作锂硫电池催化材料的高熵合金制备方法

说明书

本发明为一种用作锂硫电池催化材料——高熵合金纳米材料的制备方法，该方法主要包括以下步骤：将二氰二胺、无水葡萄糖加入去离子水或乙醇中，再依次逐滴加入金属盐的水溶液低温加热并不断搅拌，将溶剂蒸发得到混合物粉末。将混合物粉末在惰性气体保护下热处理，得到高熵合金纳米颗粒‑碳纳米管复合材料。本发明采用简单的机械混合结合热处理方法得到了一种高熵合金纳米材料用作硫正极催化材料，其兼具高导电性、吸附多硫化锂及催化其转化的能力，是一种新颖的高熵合金纳米材料制备方法。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池催化材料的制备方法，特别是一种高熵合金纳米材料的制备方法，该高熵合金纳米材料可以作为锂硫电池硫载体或隔膜修饰材料，实现对硫正极活性物质的吸附和充放电反应的催化。

背景技术

锂硫电池具有高的理论比容量和比能量密度，且其活性物质硫原料丰富、价格低廉和环境友好，是重要的下一代可实际应用二次电池体系之一。然而，液态锂硫电池在充放电过程中产生的中间产物多硫化锂会不可避免地形成穿梭效应，导致活性物质流失、容量衰减以及库伦效率降低，这些问题严重阻碍了锂硫电池的应用。

近年来，研究发现催化材料用于锂硫电池可吸附多硫化锂并催化其转化，从而有效缓解穿梭效应，提高多硫化锂的反应动力学。高熵合金可通过其组元间的交互作用产生鸡尾酒效应，在锂硫电池中展现了巨大的研究潜力。然而，熔炼和粉末冶金制备的高熵合金为块体材料，难以用于电池等领域；激光熔覆和磁控溅射主要用于制备高熵合金薄膜或涂层；而机械合金化及气雾法制备的高熵合金粉体晶粒通常为几十纳米，且易团聚为大颗粒。

发明内容

针对高熵合金用作锂硫电池催化剂的问题，本发明的目的是提供一种简便易行的高熵合金纳米材料制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用作锂硫电池催化材料的高熵合金制备方法，包括如下步骤：

(1)，将二氰二胺、无水葡萄糖加入去离子水或乙醇中，再加入金属硝酸盐的水溶液，并油浴加热，直到溶剂完全挥发得到混合物粉末；

(2)，将步骤(1)所得混合物粉末经研磨后在惰性气体保护下高温热处理，得到高熵合金纳米颗粒-碳纳米管复合材料。

在一个实施例中，所述二氰二胺、无水葡萄糖和金属硝酸盐的重量比为(5.0～8.0)：(0.1～0.15)：(0.8～1.5)；去离子水或乙醇以能满足二氰二胺和无水葡萄糖溶解需求为标准，金属硝酸盐的水溶液中，溶剂水的用量以能满足金属硝酸盐的溶解需求为标准。

在一个实施例中，所述金属硝酸盐为硝酸铁、硝酸锌、硝酸锰、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铝和硝酸镍中的任意五种及以上，且等摩尔比加入。

在一个实施例中，所述油浴加热的温度范围为50-70℃。

在一个实施例中，所述高温热处理的温度为800～950℃，其中，保温时间为2-4h，升温速率为1-5℃min^-1。

在一个实施例中，所述高温热处理过程中，惰性气体的通气量为30～80mL min^-1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明高熵合金复合材料由高熵合金纳米颗粒和碳纳米管构成，高熵合金纳米颗粒被封装在碳纳米管内部，从而具有良好的分散性，具有丰富的活性位点。同时，碳纳米管可用于封装硫活性物质，且为电极的充放电反应提供长程导电路径。因此，高熵合金纳米颗粒-碳纳米管复合材料兼具对多硫化锂的吸附作用及催化其转化的催化效果，以及高导电性，加快硫正极的氧化还原反应，提高锂硫电池的电化学性能。

(2)本发明高熵合金纳米材料制备方法步骤简便，所需反应设备简单，且所得产物品质均一、稳定，是一种可大规模高效制备高熵合金纳米材料的制备方法，可推广应用于催化等其他领域。