蘇州納米所張躍鋼與蔺洪振研究團隊在高性能锂二次電池研究方面取得系列進展

  隨著電動汽車和移勁c娮赢b品的發展,當今社會對能源存儲與轉化提出了更高的要求,繼锂離着c姵刂後,人們對可充電電池提出了更高的要求:高能量密度、高倍率充放電、高循環穩定性。锂硫電池憑借其高能量密度(2600 Whkg-1)、經濟環保等優勢成爲下一代儲能體系的有力候選者。然而,一些問題如單質硫與硫化锂的不導電性、多硫化锂中間産物的穿梭效應及充放電過程中體積的變化,降低了锂硫電池的利用率,使得容量衰減迅速,阻礙了其實際商業化。 

  針對上述問題,中科院蘇州納米所張躍鋼教授蔺洪振研究員团队分别从纳米材料结构设计與表面功能化出发,制备了不同的活性纳米催化劑复合材料,并选用原位光谱手段研究了其相关作用机制。 

  首先,我們优化调控三维石墨烯的孔隙结构及其功能团,实现了对可溶的多硫化物的物理與化学吸附作用(J. Power Sources,2016,321,193)。進一步,研究團隊利用原位化学聚合的方式,增強了三维石墨烯/碳納米管的複合納米材料的結構穩定性。實現了高面積載量(10.2 mgcm-2)硫正極的長壽命穩定循環 (1)Nano Energy,2017,40,390

 

  其次,研究發現僅依靠物理化學吸附的手段來抑制穿梭效應具有局限性,不能滿足電池的快速充放電特性。鑒于此,我們提出多種“吸附+催化”的策略,来综合解决锂硫電池的关键问题和挑战。成功地用一步法合成可高活性的氧缺陷金屬氧化物(ODMO)納米團簇催化劑,實驗和理論模擬結果證實,氧缺陷活性位點能顯著加快多硫化物S-S键的断裂與生成,使得电池的容量減率低至0.055%,滿足快速充電/放電以及長期穩定的性能要求ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 12727爲了降低不導電性反應産物硫化锂充電時脫锂離子的難度,加快電化學反應的速度,我們首次將單原子催化引入到锂電池領域,結合球差矯正電鏡和同步輻射X射線吸收光譜(XAS)證實了單原子催化劑的存在。結果顯示,單原子催化劑能夠顯著改善基于轉換反應電池的充放電速率,在 12C(理論5分鍾充滿)電池的容量仍有588mAh g-1,在5C1000次循環容量衰減率爲0.06%。我們也通過原位XAS手段初步研究了單原子鐵催化劑在脫锂過程中的演化規律(Energy Storage Mater.2019, 18, 246)。 

  爲了满足高面积载量锂硫電池的商業化要求大容量電池必須要實現電池的快速充放電爲了解决此问题,我们在納米碳基底上成功制備出均勻負載分布單原子钴(SACo)催化劑複合正極材料,並證明了单原子催化劑可以加锂離子在高面積載量Li2S電極反應中的擴散速率,爲實現高能量密度與功率密度的锂電池提供了可能研究思路(Energy Storage Mater.,2020,28,375)。 

  基于上述研究,我們還受到ChemSusChem編輯的邀請撰寫了題爲“Single-Atomic Catalysts Embedded on Nanocarbon Supports for High Energy Density Lithium-Sulfur Batteries”前瞻性概念(Concept Article)文章(ChemSusChem, 2020, 13, 3404),详细概述了近两年来锂硫電池领域应用碳纳米材料負載单原子催化劑的研究工作,阐述了原子级催化劑在电池领域催化电化学反应中的重要作用并作了重要展望。 

  最後,除了在正極外,我們還在金屬負極取得了進展,發現選用合適的電解液能夠在Sn電極表面形成稳定的固体电解质中间相(SEI),使得电池的稳定性與寿命显著提高(ACS Applied Mater. Interface2019, 11, 30500)。 

  以上相關研究成果的第一作者均爲王健博士,這些工作受到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金及德國Alexander von Humboldt Foundation(洪堡基金)等基金項目支持。 


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