[发明专利]金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体及其制备方法和应用。所述金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体包括由含氮碳壳包覆碳质内核形成的含氮碳质核壳结构以及分布于所述含氮碳质核壳结构内的金属单原子。本发明提供的金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体具有丰富的多孔结构和高的比表面积，而且具有较强的对多硫离子的吸附能力和电化学催化的功能，其在应用为硫化锂正极载体时，能够使二次电池在低的截至电压下(3V)同时实现快速的活化(0.1C)，且电极结构在电化学循环过程能够保证材料的结构稳定，在高的电化学循环稳定性表现更为突出，电池活性材料的利用率得到显著提高，电池整体电化学性能得到很大提升，可以实现电池的快速充放电。

技术领域

本发明涉及一种纳米材料，特别涉及一种金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体及其制备方法和应用，属于电化学能源技术领域。

背景技术

近年来，新型高能量密度、长循环寿命、绿色环保、低成本二次电池越来越受到广泛的关注。锂硫电池具有较高的理论比容量和能量密度受到了科研界、学术界及产业公司的极大的关注，逐渐成为新一代高能量密度电池的研究重点。硫化锂(Li₂S)作为硫正极的最富锂状态，硫化锂正极具有高的比容量(1166mAh/g)，且硫化锂可以和石墨、硅和锡等匹配组建成锂离子电池。然而，硫化锂正极不仅具有电子离子不导电、体积变化、穿梭效应等问题，还需要高的活化电压和低的活化电流来首次活化的问题。为克服以上问题，导电碳黑、多孔碳、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、杂原子(氮或氧)功能碳等各种导电碳质材料被用于硫化锂复合获得碳/硫化锂正极材料，一定程度上改善了硫化锂正极的电化学性能。但是，到目前为止，硫化锂正极电池的高倍率充放电性能依旧很差，电池活化电压通常都很高(＞3.5V)且活化电流(0.02C或0.05C，1C＝1166mA/g)很低。高的活化电压使得有机醚类电解液的稳定性和安全性极大地降低，低的活化电流倍率远远不能达到实际的运用，改变硫化锂的活化历程，降低硫化锂正极的活化能垒尤为突出。

现有技术不能在保证高的活化效率的同时实现高活化倍率和低的截至电压。在充放电时同时发生多硫离子的溶解和穿梭、电极的体积反复膨胀和收缩引起的电极结构破坏，高的活化电压会引起电解液的不稳定性发生分解，很难实现大倍率的循环，从而恶化电池的循环寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体及其制备方法和应用，以克服现有技术的不足。

本发明实施例提供了一种金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体，包括由含氮碳壳包覆碳质内核形成的含氮碳质核壳结构以及分布于所述含氮碳质核壳结构内的金属单原子。

进一步的，所述金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体金属单原子的含量为0.01wt％～5wt％。

本发明实施例还提供了一种所述的金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体的制备方法，包括：

以含氮有机物包覆碳材料并负载金属离子，形成负载金属离子的前驱体，

对所述前驱体进行退火处理，获得所述金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体。

本发明实施例还提供了一种金属单原子催化碳/硫化锂复合材料，包括所述的金属单原子掺杂纳米碳材料催化载体以及负载于所述载体上的硫化锂。

本发明实施例另一方面还提供了一种金属单原子催化碳/硫化锂复合材料的制备方法，包括：

以含氮有机物包覆碳材料，形成具有核壳结构的含氮碳前驱体，

将所述含氮碳前驱体与金属催化剂前驱体及硫化锂混合并均匀分散于溶剂中形成混合液，然后除去所述混合液中的溶剂而获得固体混合物，

在保护性气氛下，对所述固体混合物进行热处理，之后冷却至室温，获得所述金属单原子催化碳/硫化锂复合材料。