本發明屬于鋰硫電池催化，具體涉及一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料、制備方法和應用。

背景技術：

1、新能源領域的發展帶動了儲能領域的進步，增加了社會對儲能系統的需求。目前商業化的鋰離子電池開發由于受到正負極材料的限制，能量密度已經接近其理論極限，難以滿足人們未來對于儲能的需求。因此需要開發新型儲能系統，為綠色能源技術的發展提供支撐。鋰硫(li-s)電池因其高能量密度(2600whkg–1)、成本低、環境友好以及硫資源豐富而受到越來越多的關注。但鋰硫電池仍面臨一些問題。活性物質硫與放電產物硫化鋰固有的絕緣屬性導致正極材料電導率低，影響電化學反應速率；由于硫與硫化鋰密度不同導致充放電過程中正極材料體積膨脹問題，會造成極片脫落；氧化還原過程中生成的中間產物多硫化物會溶解在電解液中，導致穿梭效應，造成活性物質的不可逆損失，嚴重影響電池性能；多硫化物緩慢的反應動力學也限制了電池容量的發揮；

2、針對上述問題，開發設計多功能復合正極材料是目前解決上述問題的方式之一。目前，為了提高鋰硫(li-s)電池正極材料導電性，通常采用碳材料作為硫載體，碳材料具有較大的比表面積，可以提供更多的硫負載位點，提高活性物質硫的利用率。但非極性的碳材料對多硫化物的作用較弱，不能有效地吸附并催化多硫化物的轉化。因此現有技術研究了極性的金屬化合物作為催化劑應用于鋰硫電池正極材料設計中，如金屬氮化物、金屬氧化物、金屬硫化物等，金屬化合物等作為催化劑可以通過極性-極性強化學相互作用錨定多硫化物，加速多硫化鋰的轉化。

3、例如，吉林大學xin?wang團隊將具有mns親硫酸鹽位點的碳納米纖維作為柔性夾層引入li-s電池中，通過物理抑制、化學吸附和轉化來促進協同作用，從而減少穿梭效應并加速反應動力學，然而，對催化劑的仔細研究表明，大多數引入的金屬硫化物在該反應中是無活性的，從而增加了不必要的重量。而且lips的吸附和轉化過程發生在催化劑表面，即使是相對較小的催化劑顆粒也具有中等金屬利用率的特點，不必要地增加了電池的重量和成本，從而降低了其比能量密度。

4、因此開發原子利用率高、催化活性強的催化材料在鋰硫電池中的應用具有重要意義。

技術實現思路

1、本發明提供一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料、制備方法和應用，以解決現有技術存在的金屬化合物作為催化劑會受到活性位點不能被完全利用，催化效果會受到限制且非活性材料會影響電池的比表面積以及電導率的問題。

2、為了達到上述目的，本發明提出了以下技術方案；

3、本發明第一方面提供了一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，包括如下步驟：

4、步驟一、將cnt加入到去離子水中，攪拌均勻得溶液，取鈷鹽、鋅鹽和尿素加入到溶液中，水熱合成，洗滌離心干燥得到cnt-znco粉末；

5、步驟二、將cnt-znco粉末在混合氣氛下高溫煅燒，得到cnt-zno/co催化劑；

6、步驟三、將得到的cnt-zno/co催化劑和單質硫混合后，研磨均勻轉移至反應釜中，加熱保溫，冷卻至室溫，即可得到鋰硫電池復合正極材料。

7、進一步的，上述步驟一中，cnt用量為60～120mg，所述的鈷鹽為1mmol，鋅鹽為0.2～4mmol。

8、進一步的，上述步驟一中，水熱合成的溫度為90℃～120℃，保溫時間為8～12h；干燥溫度為40～60℃，時間為10～12h。

9、進一步的，上述步驟三中，cnt-zno/co與單質硫的質量比為4：4～8。

10、進一步的，上述步驟二中，高溫煅燒的溫度為400～700℃，時間為2～6h。

11、進一步的，上述步驟三中，加熱溫度為150～160℃，保溫時間為10～12h。

12、進一步的，上述步驟二中，煅燒氣氛為氬氣和氫氣的混合氣氛或氬氣和氨氣的混合氣氛。

13、進一步的，上述鈷鹽和鋅鹽為硝酸鹽或氯化鹽。

14、本發明第二方面提供了上述制備方法制得的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料。

15、本發明第三方面提供了一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料在鋰硫電池中的應用，所述電池至少由正極片、電解液、隔膜、負極金屬鋰片依次按順序組裝制得，所述正極片由含有cnt-znco催化劑的正極材料制得。

16、與現有技術相比，具有以下有益的技術效果：

17、一、本發明首先提供了一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料，通過水熱法制備cnt-znco，然后采用高溫煅燒法在還原性混合氣氛下制備，得到在碳納米管上負載鈷單原子和氧化鋅納米顆粒的衍生物cnt-zno/co作為催化劑，得到的催化劑中同時含有金屬氧化物和金屬單原子，二者共存，一方面利用碳材料的優異導電性以及豐富的結構提升電池電化學性能，另一方面金屬氧化物也可以利用自身獨特的極性作用加速多硫化物的轉化，促進硫化鋰的沉積。金屬單原子中存在大量的高催化活性位點，本發明可以將更多的活性位點暴露于反應物環境中，原子利用率最大化可以提高多硫化物的轉化反應動力學，緩解穿梭效應。

18、二、本發明制備的催化劑cnt-zno/co，是將金屬氧化物和金屬單原子結合負載在碳基底材料上，共同發揮作用，因此具有良好的導電性、較大的比表面積，作為制備正極材料的催化劑，制作出的正極材料可有效提高離子傳輸速率和硫的利用率。其中單原子和金屬氧化物的存在，可以增加復合材料中催化活性位點，增強對多硫化物的吸附能力，從而提高電化學反應過程中多硫化物的轉化動力學，緩解多硫化物的穿梭效應、降低電池極化。在化學反應中，表現出高活性和轉化效率的催化劑可以有效提高循環壽命和容量保持率。實驗結果顯示，cnt-zno/co應用于鋰硫電池的正極載體時，可以顯著提高鋰硫電池的放電容量、倍率性能以及循環性能。

19、三、本發明制備方法的反應條件溫和，操作方便，同時本發明的原料利用率高，因此用量減少，可大幅降低原料成本，適合大規模工業化生產。

技術特征：

1.一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：包括如下步驟

2.根據權利要求1所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：

3.根據權利要求2所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟一中，水熱合成的溫度為90℃～120℃，保溫時間為8～12h；干燥溫度為40～60℃，時間為10～12h。

4.根據權利要求1-3任意一項權利要求所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟三中，cnt-zno/co與單質硫的質量比為4：4～8。

5.根據權利要求4所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟二中，高溫煅燒的溫度為400～700℃，時間為2～6?h。

6.根據權利要求5所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟三中，加熱溫度為150～160℃，保溫時間為10～12?h。

7.根據權利要求6所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟二中，煅燒氣氛為氬氣和氫氣的混合氣氛或氬氣和氨氣的混合氣氛。

8.根據權利要求7所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述鈷鹽和鋅鹽為硝酸鹽或氯化鹽。

9.根據權利要求1所述制備方法制得的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料。

10.根據權利要求9所述的一種含有cnt-zno/co催化劑的鋰硫電池正極材料在鋰硫電池中的應用，其特征在于：所述電池至少由正極片、電解液、隔膜、負極金屬鋰片依次按順序組裝制得，所述正極片由含有cnt-znco催化劑的正極材料制得。

技術總結
本發明涉及一種含有CNT?ZnO/Co催化劑的鋰硫電池正極材料、制備方法和應用。所述制備方法：首先合成出碳納米管上負載的鋅鈷層狀雙氫氧化物（CNT?ZnCo）；通過高溫煅燒得到含有鈷單原子和氧化鋅（ZnO）共存的催化劑，記為CNT?ZnO/Co。將得到的CNT?ZnO/Co和單質硫混合，采用熔融擴散法加熱，得到鋰硫電池正極材料。本發明可以將更多的活性位點暴露于反應物環境中，原子利用率最大化可以提高多硫化物的轉化反應動力學，緩解穿梭效應；制作出的正極材料可以顯著提高鋰硫電池的放電容量、倍率性能以及循環性能；本發明制備方法的反應條件溫和，操作方便，同時本發明的原料利用率高，因此用量減少，可大幅降低原料成本，適合大規模工業化生產。

技術研發人員：高帆,陳永暢,潘洪革
受保護的技術使用者：西安工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28