一种用于锂硫电池的仿生催化剂及制备方法、正极材料、正极极片及制备方法技术

本发明专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种用于锂硫电池的仿生催化剂、正极材料、正极极片及制备方法。仿生催化剂，其包含氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物。氯化血红素可以促进锂硫电池反应中多硫化物的快速转化，组氨酸可以进一步的激发氯化血红素的催化活性，在改善锂硫电池性能上起到极大的作用，在锂硫电池体系用应用本发明专利技术的仿生催化剂可以使电池具有很强的电化学可逆性。很强的电化学可逆性。很强的电化学可逆性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂硫电池的仿生催化剂及制备方法、正极材料、正极极片及制备方法


[0001]本专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种用于锂硫电池的仿生催化剂、正极材料、正极极片及制备方法。

技术介绍

[0002]不断消耗的能源促进了储能技术和设备（尤其是可充电电池系统）的不断创新。但是，当前的尖端锂离子电池无法满足个人电子和电动汽车（EV）对高能量密度不断增长的需求。可充电锂硫（Li
–
S）电池因其2600 Wh kg-1
的高理论能量密度，低成本和环境友好性而被视为下一代电池技术的最有希望的候选者之一。 尽管其具有很大的优势，但是在实际工作中，Li-S电池中复杂的化学反应阻碍了Li-S电池的实际应用。
[0003]通常，锂硫电池中硫的氧化还原电化学涉及一系列复杂的相变和相迁移。充放电产物（S和Li2S）的绝缘性和不溶性导致氧化还原动力学迟缓和硫的利用率低。可溶性多硫化物中间体（Li2S
x
，4≤x≤8）的穿梭也会导致库仑效率的降低和充放电容量的快速下降。此外，多硫化物的扩散会引起固体产物在电极/电解质界面上的重新排布，从而引起活性表面的钝化，Li2S的聚集以及硫氧化还原转化大的过电位。随着表面产物的不断氧化还原消耗，内部的聚集体可能会失去与导电骨架的电子接触，然后容易形成“死硫”，从而导致低的硫利用率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种用于锂硫电池的仿生催化剂、正极材料、正极极片及制备方法。
[0005]本专利技术提供的第一方面，为一种用于锂硫电池的仿生催化剂，其包含氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物。
[0006]在生物学中，氯化血红素（Hemin）及其铁卟啉衍生物作为许多血红素蛋白的电活性中心，也常被用于氧转运和各类物质（如：NO、NO
2-及H2O2）的检测，本专利技术发现，将其引入到正极材料中，可以于促进锂硫电池反应中多硫化物的快速转化。
[0007]组氨酸（Histidine）是存在于蛋白质之中最普遍的 20 种氨基酸之一。在营养学范畴里，组氨酸是一种儿童的必需氨基酸，但长期研究表明对于成人，组氨酸也是一种不可或缺的氨基酸。组氨酸结构中含有一个咪唑基，是唯一一个pH 值在 7.0 左右的特殊氨基酸。更为特殊的是，在生理环境中，组氨酸在环的一侧接受质子的同时又能在环的另一侧给出质子，从而起到了体系间质子传递的作用。此外，组氨酸在稳定蛋白质结构和增强其功能中却发挥着不可替代的作用。例如，组氨酸残基的存在能够稳定血红素结构，并且在酶的催化氧化循环中起着举足轻重的作用。
[0008]还包括导电基体，所述氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物复合在导电基体上。
[0009]所述导电基体为碳材料。碳材料具有高导电性。
[0010]所述碳材料为碳纳米管。常见的导电碳材料包括碳纳米管、石墨烯、多孔碳等。
[0011]所述氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物为氯化血红素中的Fe-Cl键断裂，Cl原子被组氨酸取代形成的。
[0012]本专利技术提供的第二方面，为上述的用于锂硫电池的仿生催化剂的制备方法，氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物和导电基体分散到溶剂中，加热。
[0013]本专利技术提供的第三方面，为一种锂硫电池正极材料，包含载硫正极活性材料和如上述的用于锂硫电池的仿生催化剂。
[0014]目前常见的载硫正极活性材料包括碳纳米管-硫复合材料、石墨烯-硫复合材料、多孔碳-硫复合材料、含极性添加剂的碳-硫复合材料。
[0015]本专利技术提供的第四方面，为锂硫电池正极极片，包括集流体和涂覆在集流体上的如上述的锂硫电池正极材料。
[0016]其中集流体可以是本领域技术人员所公知的各种集流体，如铝箔、铜箔、镀镍钢带等。
[0017]本专利技术提供的第五方面，为上述的锂硫电池正极极片的制备方法，包括以下步骤：如权利要求7所述的锂硫电池正极材料、粘合剂分散到溶剂中，形成浆料，均匀涂覆在集流体上，烘干。
[0018]粘合剂可以采用本领域已知的所有可用于锂硫电池的粘合剂。
[0019]可以加入导电剂，增加电极导电性，降低电池的内阻，导电剂可以选择导电炭黑、乙炔黑、镍粉、铜粉和导电石墨中的一种或多种，导电剂的含量一般为正极材料中的0-15重量%，优选为0-10重量%。
[0020]其中溶剂可以选择常规溶剂，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二乙基甲酰胺（DEF）、二甲亚砜（DMSO）、四氢呋喃（THF）以及水和醇类中的一种或多种。溶剂的用量能使形成的浆料能够涂覆在集流体上即可。
[0021]本专利技术提供的第六方面，为一种锂硫电池，包括正极、负极、隔膜和非水性电解质，所述正极为如上述的锂硫电池正极极片。
[0022]本专利技术的有益效果如下：氯化血红素可以促进锂硫电池反应中多硫化物的快速转化，组氨酸可以进一步的激发氯化血红素的催化活性，在改善锂硫电池性能上起到极大的作用，在锂硫电池体系用应用本专利技术的仿生催化剂可以使电池具有很强的电化学可逆性。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。
[0024]图1为溶于电解液的hemin以及hemin-His的紫外光谱图；图2为hemin，CNTs-hemin@his和CNTs-hemin@his with S复合材料的XPS 光谱，（a）Fe 2p;（b）Cl 1s；图3为在扫描速度为0.1mV s-1
的条件下，（a）CNTs/hemin@his阴极所进行的四次循环
CV曲线图。（b）CNTs、CNTs/hemin、CNTs/hemin@his和CNTs/hemin@trityl-his阴极的CV曲线对比图（4th），扫描速率为0.1mV s-1
。；图4中，（a）CNTs、CNTs@hemin、CNTs/hemin@his和CNTs/hemin@trityl-his阴极的倍率性能图，（b）CNTs、CNTs@hemin、CNTs/hemin@his和CNTs/hemin@trityl-his阴极的充放电平台图，倍率为0.2C；图5中(a) CNTs、CNTs@hemin、CNTs/hemin@his和CNTs/hemin@trityl-his阴极在1 C电流下的循环稳定性图；（b）CNTs/hemin@his阴极的长期循环性能，硫质量负荷分别为4.12 mg cm-2
和6.27 mg cm-2
，前10圈倍率为0.05C，随后倍率为0.1C；图6为CNTs/hemin@his电极中（a）Fe 2p和（b）Li 1s在五种不同的放电/充电状态下（2.8V的完全充电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂硫电池的仿生催化剂，其特征在于：其包含氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物。2.根据权利要求1所述的用于锂硫电池的仿生催化剂，其特征在于：包括导电基体，所述氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物复合在导电基体上。3.根据权利要求2所述的用于锂硫电池的仿生催化剂，其特征在于：所述导电基体为碳材料。4.根据权利要求3所述的用于锂硫电池的仿生催化剂，其特征在于：所述碳材料为碳纳米管。5.根据权利要求1所述的用于锂硫电池的仿生催化剂，其特征在于：所述氯化血红素和组氨酸形成的配位化合物为氯化血红素中的Fe-Cl键断裂，Cl原子被组氨酸取代形...

【专利技术属性】
技术研发人员：周苏雅，聂华贵，丁欣慰，张永贵，孔素珍，东洋洋，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：