[发明专利]一种具有电催化作用的锂硫电池正极材料的设计方法

说明书

本发明公开了一种具有电催化作用的锂硫电池正极材料的设计方法。包括：（1）在掺氮石墨烯上分别构建单金属原子位点，或双金属原子位点，作为锂硫电池的正极材料，并优化得到稳定的正极材料构型；（2）优化多硫化物得到多硫化物稳定的结构，并将其吸附在溶剂分子DOL、DME以及正极材料构型后优化，得到稳定的吸附构型，并计算这些稳定的吸附构型的结合能；（4）计算正极材料构型电子结构；（5）计算在充电和放电过程中，多硫化物在正极材料构型上的分解能垒和氧化还原反应的吉布斯自由能；（6）以分解能垒小、吉布斯自由能小作为正极材料构型具有电催化作用主要评判标准。本发明通过DFT计算方法可以设计出具有电催化效果的锂硫电池正极材料。

技术领域

本发明属于锂硫电池电催化领域，涉及一种具有电催化作用的锂硫电池正极材料的设计方法。

背景技术

随着现代便携式电子设备、电动汽车、航空航天和大型储能系统的发展，人们对电化学储能的需求在不断增加。目前，在电化学储能领域商业化应用最为广泛的仍是传统锂离子电池。然而，符合传统锂离子脱嵌机制的电极材料(LiMn₂O₄、LiFePO₄、LiCoO₂等)理论容量有限，即使锂离子电池达到能量密度极限(140-240Wh kg^-1)，仍然无法满足高能量密度电池的需求，因此寻找高能量密度的可充电电池是当前新能源领域研究的热点之一。

近年来，研究者们发现锂空气电池和锂硫电池等新一代可充电锂电池能够满足高能量密度的需求。锂硫电池作为下一代最有前景的能源存储体系，具有诸多优势，比如高理论容量(1675mA h g^-1)，自然界硫储量丰富，低成本，安全性，环境友好等。锂硫电池使用硫作为正极材料，理论能量密度达到2600W h kg^-1，是传统锂离子电池的五倍虽然锂硫电池相比于传统的锂电池有这么多优点，但是一些棘手的问题仍然阻碍了锂硫电池的实际应用，例如长链可溶性多硫化锂(LiPSs)(Li₂S_x，4≤x≤8)穿梭效应导致低硫利用率和快速容量退化，S和Li₂S₂/Li₂S的本质电绝缘特性以及充放电过程中缓慢的动力学反应等等。针对正极材料的改善与设计策略有很多，如果全部都要通过实验来研究需要付出较大的成本。而采用理论计算的研究方法，能够达到预测实验结果的目的，并大大降低实验成本，同时获得具有普适性的规律。因此发明一种设计具有电催化作用的锂硫电池正极材料的方法，为探索新的锂硫电池正极材料提供一定的理论依据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种设计具有电催化作用的锂硫电池正极材料的方法，为探索新的锂硫电池正极材料提供一定的理论指导。

本发明采用的技术方案是：一种具有电催化作用的锂硫电池正极材料的设计方法，包括如下步骤：

(1)在6×6掺氮石墨烯上分别构建单金属原子位点，或双金属原子位点，作为锂硫电池的正极材料，并进行结构优化得到稳定的正极材料构型；

(2)用DFT优化多硫化物得到多硫化物稳定结构，将多硫化物稳定结构吸附在溶剂分子DOL、DME以及稳定的正极材料构型上，利用DFT方法做进一步结构优化，得到稳定的吸附构型；

(3)根据步骤(2)所得稳定的吸附构型，计算多硫化物稳定结构吸附在溶剂分子DOL、DME以及稳定的正极材料构型的结合能，根据结合能的大小，筛除结合能小于溶剂分子DOL和DME的结合能的稳定的正极材料构型；

(4)对步骤(3)筛选出的稳定的正极材料构型计算其电子结构，进一步筛选具有高导电性能的稳定的正极材料构型；

(5)计算在锂硫电池充电和放电过程中，多硫化物稳定结构在步骤(4)所述的稳定的正极材料构型上的分解能垒和氧化还原反应的吉布斯自由能；