[发明专利]一种用于锂硫电池的仿生催化剂及制备方法、正极材料、正极极片及制备方法

说明书

本发明属于电池材料领域，具体涉及一种用于锂硫电池的仿生催化剂、正极材料、正极极片及制备方法。仿生催化剂，其包含氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物。氯化血红素可以促进锂硫电池反应中多硫化物的快速转化，组氨酸可以进一步的激发氯化血红素的催化活性，在改善锂硫电池性能上起到极大的作用，在锂硫电池体系用应用本发明的仿生催化剂可以使电池具有很强的电化学可逆性。

技术领域

本发明属于电池材料领域，具体涉及一种用于锂硫电池的仿生催化剂、正极材料、正极极片及制备方法。

背景技术

不断消耗的能源促进了储能技术和设备（尤其是可充电电池系统）的不断创新。但是，当前的尖端锂离子电池无法满足个人电子和电动汽车（EV）对高能量密度不断增长的需求。可充电锂硫（Li–S）电池因其2600 Wh kg^-1的高理论能量密度，低成本和环境友好性而被视为下一代电池技术的最有希望的候选者之一。 尽管其具有很大的优势，但是在实际工作中，Li-S电池中复杂的化学反应阻碍了Li-S电池的实际应用。

通常，锂硫电池中硫的氧化还原电化学涉及一系列复杂的相变和相迁移。充放电产物（S和Li₂S）的绝缘性和不溶性导致氧化还原动力学迟缓和硫的利用率低。可溶性多硫化物中间体（Li₂S_x，4≤x≤8）的穿梭也会导致库仑效率的降低和充放电容量的快速下降。此外，多硫化物的扩散会引起固体产物在电极/电解质界面上的重新排布，从而引起活性表面的钝化，Li₂S的聚集以及硫氧化还原转化大的过电位。随着表面产物的不断氧化还原消耗，内部的聚集体可能会失去与导电骨架的电子接触，然后容易形成“死硫”，从而导致低的硫利用率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种用于锂硫电池的仿生催化剂、正极材料、正极极片及制备方法。

本发明提供的第一方面，为一种用于锂硫电池的仿生催化剂，其包含氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物。

在生物学中，氯化血红素（Hemin）及其铁卟啉衍生物作为许多血红素蛋白的电活性中心，也常被用于氧转运和各类物质（如：NO、NO^2-及H₂O₂）的检测，本发明发现，将其引入到正极材料中，可以于促进锂硫电池反应中多硫化物的快速转化。

组氨酸（Histidine）是存在于蛋白质之中最普遍的 20 种氨基酸之一。在营养学范畴里，组氨酸是一种儿童的必需氨基酸，但长期研究表明对于成人，组氨酸也是一种不可或缺的氨基酸。组氨酸结构中含有一个咪唑基，是唯一一个pH 值在 7.0 左右的特殊氨基酸。更为特殊的是，在生理环境中，组氨酸在环的一侧接受质子的同时又能在环的另一侧给出质子，从而起到了体系间质子传递的作用。此外，组氨酸在稳定蛋白质结构和增强其功能中却发挥着不可替代的作用。例如，组氨酸残基的存在能够稳定血红素结构，并且在酶的催化氧化循环中起着举足轻重的作用。

还包括导电基体，所述氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物复合在导电基体上。

所述导电基体为碳材料。碳材料具有高导电性。

所述碳材料为碳纳米管。常见的导电碳材料包括碳纳米管、石墨烯、多孔碳等。

所述氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物为氯化血红素中的Fe-Cl键断裂，Cl原子被组氨酸取代形成的。

本发明提供的第二方面，为上述的用于锂硫电池的仿生催化剂的制备方法，氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物和导电基体分散到溶剂中，加热。

本发明提供的第三方面，为一种锂硫电池正极材料，包含载硫正极活性材料和如上述的用于锂硫电池的仿生催化剂。

目前常见的载硫正极活性材料包括碳纳米管-硫复合材料、石墨烯-硫复合材料、多孔碳-硫复合材料、含极性添加剂的碳-硫复合材料。