本發(fā)明屬于鋰硫電池催化，具體涉及一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料及制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著能源消耗日益增長(zhǎng)，人類(lèi)面臨著巨大的環(huán)境和資源危機(jī)，加快可再生能源的發(fā)展迫在眉睫。其中鋰離子電池改變了人們的生活方式，促進(jìn)了便攜式攝像機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦等電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。然而，其質(zhì)量/體積能量密度已經(jīng)逼近理論極限，難以滿足人們未來(lái)對(duì)于儲(chǔ)能的需求，開(kāi)發(fā)具有更高容量以及質(zhì)量/體積能量密度的新型二次電池是下一步研發(fā)的重點(diǎn)。在諸多替代鋰離子電池的儲(chǔ)能體系中，鋰硫電池因其能量密度高(2600wh?kg–1)、成本低、環(huán)境友好以及硫資源豐富而受到越來(lái)越多的關(guān)注。但鋰硫電池還存在著活性物質(zhì)利用率低、長(zhǎng)鏈多硫化鋰的穿梭效應(yīng)、和充放電過(guò)程中活性材料的體積變化等問(wèn)題。

2、針對(duì)這些問(wèn)題，研究者們通過(guò)對(duì)正極材料進(jìn)行改性，比如設(shè)計(jì)金屬氧化物催化劑，通過(guò)對(duì)多硫化物的吸附與轉(zhuǎn)化，可以有效地抑制多硫化物的溶解，從而提高電池的電化學(xué)性能。傳統(tǒng)制備金屬氧化物的方法有高溫煅燒法，但傳統(tǒng)制備方法長(zhǎng)時(shí)間的熱處理(通常數(shù)小時(shí))導(dǎo)致其高的能量消耗以及制造成本，整個(gè)過(guò)程消耗時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低下。例如專(zhuān)利cn115594229a制備的納米高熵氧化物正極材料，采用850～1000℃，保溫10～24h的煅燒條件，制備周期較長(zhǎng)，制造成本高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

3、因此，開(kāi)發(fā)一種快速、高效、廉價(jià)且綠色環(huán)保的鋰硫電池正極材料的制備方法對(duì)于新能源電池的未來(lái)發(fā)展至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料及制備方法和應(yīng)用，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的制備周期較長(zhǎng)、制造成本高、生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了以下技術(shù)方案；

3、本發(fā)明第一方面提供了一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，包括如下步驟：

4、步驟一、取鈷鹽，鋅鹽和尿素加入到去離子水中，水熱合成后，洗滌離心干燥得到鋅鈷層狀雙氫氧化物；

5、步驟二、取鋅鈷層狀雙氫氧化物與碳納米管混合，研磨均勻后，將得到的混合物壓片進(jìn)行焦耳熱處理，得到zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)；

6、步驟三、將得到的zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)與單質(zhì)硫混合后，研磨均勻轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，采用熔融擴(kuò)散法加熱，保溫一定時(shí)間后，冷卻至室溫，即可得到鋰硫電池正極材料；

7、進(jìn)一步的，上述步驟一中，鈷鹽和鋅鹽的摩爾比例為1：0.2～4。

8、進(jìn)一步的，上述步驟三中，zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑和硫的質(zhì)量比為3：4～8。

9、進(jìn)一步的，上述步驟一中，水熱合成溫度為100～120℃，保溫時(shí)間為8～12h，干燥溫度為40～60℃，時(shí)間為10～12h。

10、進(jìn)一步的，上述步驟二中，鋅鈷層狀雙氫氧化物與碳納米管混合的質(zhì)量比為1：0.2～4。

11、進(jìn)一步的，上述步驟一中，金屬鹽為硝酸鹽或氯化鹽的一種。

12、進(jìn)一步的，上述步驟二的焦耳熱處理中，輸出電流為30～60a,輸出電壓為30～60v，脈沖次數(shù)為3～5次，瞬時(shí)溫度達(dá)到900～1200℃。

13、進(jìn)一步的，上述步驟三中，熔融擴(kuò)散法的溫度為150～160℃，保溫時(shí)間為8～12h。

14、本發(fā)明第二方面提供了上述制備方法制得的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料。

15、本發(fā)明第三方面提供了上述含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料在鋰硫電池的應(yīng)用，所述電池至少由正極片、電解液、隔膜、負(fù)極金屬鋰片依次按順序組裝制得，所述正極片由含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料制得。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

17、(1)本發(fā)明首先制備含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)的催化劑，所述催化劑以碳納米管作為載體，在碳納米管載體上負(fù)載有氧化鈷和氧化鋅納米顆粒。前驅(qū)體是鋅鈷層狀雙氫氧化物，合成方法簡(jiǎn)易，低成本，和碳納米管混合通過(guò)超快焦耳熱加熱技術(shù)，超快的加熱/冷卻過(guò)程和較短的反應(yīng)時(shí)間促進(jìn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑納米顆粒的均勻分散，形成了大量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面，可有效防止聚集引起的催化活性衰減。

18、(2)本發(fā)明將含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)的催化劑與單質(zhì)硫通過(guò)熔融擴(kuò)散法制備得到正極材料，其中以相互連接的碳納米管形成的電子傳輸通道可以促進(jìn)電子的遷移效率，同時(shí)增強(qiáng)單質(zhì)硫的導(dǎo)電性，氧化鋅和氧化鈷提供豐富的活性位點(diǎn)吸附多硫化物，限制活性物質(zhì)的損失，進(jìn)一步削弱多硫化物的穿梭效應(yīng)，改善硫電極電化學(xué)性能。將制備的催化劑材料應(yīng)用與鋰硫電池正極中，可有效解決儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰硫電池中單質(zhì)硫材料導(dǎo)電性差、多硫化物的穿梭效應(yīng)以及硫轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)緩慢的問(wèn)題，提高鋰硫電池的庫(kù)倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性，提高鋰硫電池的性能。

19、(3)本發(fā)明制備方法，反應(yīng)條件溫和，工藝簡(jiǎn)單，成本低，能耗低，可高效快速地制備含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟一中，鈷鹽和鋅鹽的摩爾比例為1：0.2～4。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟三中，zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑和硫的質(zhì)量比為3：4～8。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟一中，水熱合成溫度為100～120?℃，保溫時(shí)間為8～12?h，干燥溫度為40～60?℃，時(shí)間為10～12?h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟二中，鋅鈷層狀雙氫氧化物與碳納米管混合的質(zhì)量比為1：0.2～4。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟一中，金屬鹽為硝酸鹽或氯化鹽的一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟二的焦耳熱處理中，輸出電流為30～60a,輸出電壓為30～60v，脈沖次數(shù)為3～5次，瞬時(shí)溫度達(dá)到900～1200?℃。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟三中，熔融擴(kuò)散法的溫度為150～160℃，保溫時(shí)間為8～12h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法制得的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料在鋰硫電池的應(yīng)用，其特征在于：所述電池至少由正極片、電解液、隔膜、負(fù)極金屬鋰片依次按順序組裝制得，所述正極片由含有zno/coo-cnt異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料制得。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種含有ZnO/CoO?CNT異質(zhì)結(jié)催化劑的正極材料及制備方法和應(yīng)用。所述制備方法：首先合成出鋅鈷層狀雙氫氧化物（ZnCo?LDH），將取鋅鈷層狀雙氫氧化物（ZnCo?LDH）與碳納米管（CNT）混合，研磨均勻后，將得到的混合物進(jìn)行焦耳熱處理，得到衍生物ZnO/CoO?CNT；將得到的ZnO/CoO?CNT與單質(zhì)硫混合后，研磨均勻轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，加熱，保溫一定時(shí)間后，冷卻至室溫，即可得到鋰硫電池正極材料。本發(fā)明將含有ZnO/CoO?CNT異質(zhì)結(jié)的催化劑與單質(zhì)硫通過(guò)熔融擴(kuò)散法制備得到正極材料，可有效解決儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰硫電池中單質(zhì)硫材料導(dǎo)電性差、多硫化物的穿梭效應(yīng)以及硫轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)緩慢的問(wèn)題，提高鋰硫電池的庫(kù)倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性。本發(fā)明制備方法工藝簡(jiǎn)單，成本低，能耗低，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：高帆,陳永暢,潘洪革
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28