[发明专利]一种硫、氮双掺杂的锂空气电池正极催化剂的制备方法

说明书

一种硫、氮双掺杂的锂空气电池正极催化剂的制备方法，属于化学电源技术领域。本发明的目的是为了解决目前锂空气电池碳基催化剂存在的稳定性差、催化活性差等问题，将含硫、氮两种元素的原材料，在溶剂中与碳基体混合后，转移到密闭的反应容器中，在150～260℃下进行溶剂热反应，形成前驱体分散液；将前驱体分散液进行离心洗涤，真空干燥后在保护气氛下进行高温裂解，得到锂空气电池正极催化剂。本发明的双功能正极催化剂是两种具有相近电负性的非金属元素掺杂形成的碳基材料，可用于有机体系、全固态、水系、及水/非水混合体系锂空气电池系统，有效降低充放电过电位、提升电池循环稳定性。

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，具体涉及一种硫、氮双掺杂的锂空气电池正极催化剂的制备方法。

背景技术

自1991年日本Sony公司研发出首款商用锂离子电池以来，锂离子电池的实际应用得到了极大地推广，不仅广泛应用于航天、卫星、导弹等特种装备领域，而且广泛应用在民用领域如电动汽车、便携式充电设备以及柔性可穿戴设备等。近年来，随着电池在储能领域中应用的不断扩大，对其能量密度、倍率性能以及循环寿命提出了更高的要求。目前商用化电池中，最常用的锂离子电池存在理论容量小、倍率性能差和循环寿命短等问题，逐渐成为限制高速革新的用电设备发挥优异性能的障碍。因此，开发高比能、大倍率的新型电池已迫在眉睫。锂空气电池具有极高的理论容量，是一种极具发展前景的储能电池，极有可能成为锂离子电池的替代品。

但是锂空气电池在实际应用中还存在着诸多的问题。在空气正极三相界面发生的反应类型比较复杂，产生的副产物碳酸锂会导致催化剂失活以及界面阻抗逐渐增加，降低空气电池的放电容量并加速其失效；不适宜的空气正极会导致氧化还原反应速率较弱，产生显著的极化，致使电池的能量转化效率极低；此外，绝大部分空气正极在模拟空气条件下进行测试时性能较低，严重制约了锂空气电池的实际应用。因此，锂空气电池的商用化还存在着严峻的挑战。

碳基材料作为锂空气电池正极时具有极高的比容量、低成本、资源丰富以及出色的导电性，是商用化锂空气正极的最优选择，其具有大量的孔洞以及丰富的比表面积。然而，碳基催化剂在充放电过程中伴随着的副反应导致电池衰减迅速，快速失活。实验研究表明，通过对碳基材料进行表面改性来避免或减缓副反应的发生可以有效延长电池循环寿命。大量的理论计算也表明，在碳骨架中引入辅助原子是改善电化学和化学活性的有效方法。近年来，杂原子B、Be、N、Se和低电负性杂原子通过打破碳材料的局域电中性结构可以有效提升过氧化锂的生成/分解活性。另一方面，由于杂原子掺杂后的碳骨架更加稳定，可以有效避免副产物碳酸锂、烷基锂等副产物的生成。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前锂空气电池碳基催化剂存在的稳定性差、催化活性差等问题，提供一种硫、氮双掺杂的锂空气电池正极催化剂的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种硫、氮双掺杂的锂空气电池正极催化剂的制备方法，所述方法具体为：

步骤一：将含硫、氮两种元素的原材料，在溶剂中与碳基体混合后，转移到密闭的反应容器中，在150～260℃下进行溶剂热反应，形成前驱体分散液；

步骤二：将前驱体分散液进行离心洗涤，真空干燥后在保护气氛下进行高温裂解，得到锂空气电池正极催化剂。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

(1)通过选取两种元素与碳基体表面缺陷进行反应，有效改善了碳基体表面缺陷分布状态，提高了碳材料的催化活性。氮、硫两种元素协同掺杂，可以更有效地调节临近及远处碳原子的电子结构，优化对反应物及中间产物的吸附能，因而比单一元素掺杂具有更加优异的催化活性。

(2)在充放电过程中，双元素掺杂有效调控了碳材料表面缺陷处碳原子的电子云分布密度。一方面降低了其与超氧自由基离子的亲核反应活性，另一方面减弱了缺陷碳催化电解液分解的能力，进而有效减缓了锂空气电池在循环过程中副产物的累积，延长了锂空气电池的循环寿命。