[发明专利]缺陷基化合物锚定单原子复合材料及其制备方法与应用有效
申请号: | 202011630829.1 | 申请日: | 2020-12-31 |
公开(公告)号: | CN112820864B | 公开(公告)日: | 2022-05-31 |
发明(设计)人: | 王健;蔺洪振;程双 | 申请(专利权)人: | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 |
主分类号: | H01M4/36 | 分类号: | H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/42;B82Y30/00;B82Y40/00 |
代理公司: | 南京利丰知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 32256 | 代理人: | 王锋 |
地址: | 215123 江苏省苏州市*** | 国省代码: | 江苏;32 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 缺陷 化合物 锚定 原子 复合材料 及其 制备 方法 应用 | ||
本发明公开了一种缺陷基化合物锚定单原子复合材料及其制备方法与应用。所述缺陷基化合物锚定单原子复合材料包括缺陷基化合物、负载于所述缺陷基化合物上的单原子以及硫掺杂的纳米碳;所述硫掺杂的纳米碳具有多级孔结构,所述缺陷基化合物分布于所述硫掺杂的纳米碳的多级孔结构中;负载所述单原子的缺陷基化合物中单原子的含量为0.1~20at%;所述缺陷基化合物包括金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物中的任意一种或两种以上的组合。本发明采用简单的方法制得了负载金属单原子的缺陷基复合材料,该方法条件温和,容易实现产业化;且复合材料中金属单原子和缺陷结构可提供丰富的催化活性中心,在可充电锂金属基电池中有很好的应用前景。
技术领域
本发明属于电化学能源材料技术领域,具体涉及一种缺陷基化合物锚定单原子复合材料及其制备方法与应用,例如,在可充电锂金属基电池中的应用。
背景技术
当前,传统锂离子电池的能量密度已不能满足智能生活对高能量密度的需求。基于锂金属基的锂硫(Li/S)电池具有较高的能量密度(2600W·h·kg-1)而引起了广泛的关注,成为最具希望的下一代可充电电池。然而,目前仍存在一系列问题阻碍了Li/S电池的广泛实际化应用,如在正极侧,活性物质硫的利用率低和转化动力学缓慢的问题;在负极侧,金属在沉积过程中容易产生锂枝晶,单一的锂金属表面枝晶萌发和生长往往不受控制,同时,金属锂无序的反复溶解和沉积会引起体积膨胀,这些问题会导致电池的循环寿命有限,容量显著降低。设计合理的纳米钝化层或者框架对负极表面进行修饰以及调整负极结构,阻止负极表面锂枝晶的萌生和生长,抑制体积膨胀。此外,采用高活性的催化剂能够降低硫物质的转化能垒,提升反应动力学,改善方法以提升电池的容量和稳定性。
锂硫电池具有高的能量密度,但是其广泛运用还受到一系列问题的限制。目前解决锂硫电池问题的方法比较单一,相对独立性很高,难以有全面的方法与手段来同时解决锂负极与硫正极的问题。在负极侧,锂金属负极面临枝晶生长、体积膨胀以及固态电解质界面膜(SEI)不稳定等问题。当前的锂负极保护方法往往比较繁琐,比如通过辊压法、熔炼法、还有化学沉积法等对锂负极进行预处理,由于锂金属比较活泼,处理过程需全程在保护气氛中进行,不仅工艺复杂,而且成本较高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种缺陷基化合物锚定单原子复合材料及其制备方法与应用,以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
本发明实施例提供了一种缺陷基化合物锚定单原子复合材料,其包括缺陷基化合物、负载于所述缺陷基化合物上的金属单原子以及硫掺杂的纳米碳;所述硫掺杂的纳米碳具有多级孔结构,所述缺陷基化合物分布于所述硫掺杂的纳米碳的多级孔结构中;负载所述单原子的缺陷基化合物中金属单原子的含量为0.1~20at%;所述缺陷基化合物包括金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物中的任意一种或两种以上的组合。
本发明实施例还提供了前述的缺陷基化合物锚定单原子复合材料的制备方法,其包括:
将氧化石墨烯、碳纳米管、表面活性剂、多硫化物、金属盐前驱体和溶剂混合均匀,之后加入金属单原子前驱体,并于120~200℃发生水热反应12h;
以及,在NH3和/或惰性气氛中,将所获水热反应产物于100~500℃热处理10~120min,获得缺陷基化合物锚定单原子复合材料。
本发明实施例还提供了前述的缺陷基化合物锚定单原子复合材料于制备可充电锂金属基电池中的用途。
本发明实施例还提供了一种可充电锂金属基电池负极,其包括电极以及电极表面的保护层,所述保护层至少包括前述的缺陷基化合物锚定单原子复合材料。
本发明实施例还提供了一种可充电锂金属基电池正极,其至少包括前述的缺陷基化合物锚定单原子复合材料。
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