華南師範王新團隊在JACS、AFM等發表鋰硫電池系列研究成果

2020-11-28 騰訊網

近日，華南先進光電子研究院王新課題組與加拿大皇家科學院院士、加拿大工程院院士陳忠偉教授在SCI影響因子14.7的《JACS》、影響因子15.6的《Advanced Function Materials》（內封面文章）和影響因子15.5的《Nano Energy》發表鋰硫電池研究成果。

鋰硫電池具有比能量密度高(2500 Wh kg-1)、環保、成本低等優點，被認為是一種很有前途的儲能系統。然而，鋰硫電池的廣泛應用仍然受到幾個主要技術問題的阻礙，包括硫的絕緣性、多硫化物的溶解和穿梭行為以及鋰化/脫鋰過程中體積變化大等，課題組針對鋰硫電池問題進行深入研究。

《Advanced Function Materials》論文題目為《Hierarchical Defective Fe3‐xC@C Hollow Microsphere Enables Fast and Long‐Lasting Lithium–Sulfur Batteries》。研究開發了一種獨特的富含Fe空位的Fe3-xC@C中空微球作為Li-S電池中的載硫材料。

實驗和計算結果表明，富含Fe空位的Fe3-xC較普通Fe3C相比表現出更強的吸附LiPS能力，並且對於LiPS轉化表現出優異的催化性能，從而可以有效抑制穿梭效應並實現快速的硫氧化還原動力學。同時，Fe3-xC所具有的中空和多孔結構不僅能夠使得反應活性位點充分暴露，而且與表面碳包覆層協同構建了電子和離子的快速傳輸通道，進一步有助於快速穩定的硫電化學轉化過程。歸因於上述結構特徵，基於Fe3-xC@C的硫電極表現出出色的Li-S電池性能：面容量高達5.6 mAh cm-2，即使在5C的高倍率下也可以正常工作，在長達1000周的長循環後容量保持率達60%。該研究工作首次引入富含Fe空位的Li-S電池硫載體材料，開拓了一種新的空位工程設計方式，為實現高性能Li-S電池提供了新的見解。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001165

《Nano Energy》論文題目為《Three-dimensionally ordered macro-microporous metal organic frameworks with strong sulfur immobilization and catalyzation for high-performance lithium-sulfur batteries》。研究開發了一種由大量均勻分散的ZIF-8納米亞基構成的具有三維有序大/微孔結構的3DOM ZIF-8材料。

大孔3DOM骨架和微孔ZIF-8納米顆粒的協同作用，不僅有利於電解質的滲透，加快電子與活性物質的傳輸，還可以使硫分布均勻，抑制活性物質在電解液中的溶解，提高硫的利用率。此外，3DOM ZIF-8中豐富的活性界面通過Lewis酸鹼作用對多硫化物提供了較強的吸附作用與良好的催化作用，不僅對多硫化物的穿梭效應有明顯的抑制作用，而且對硫的氧化還原反應動力學有良好的促進作用。得益於這些優勢，所開發的S/3DOM ZIF-8電極材料具有良好的電化學性能，不僅在500次長循環中表現出優異的循環穩定性，每循環的容量衰減率僅為0.028%，還具有優異的倍率性能，在2 C下的放電比容量達到了803 mAh g-1。此外，在高硫負載量和貧電解液的條件下，還可以獲得高於6 mAh cm-2的高面容量和較好的循環性能。3DOM ZIF-8在鋰硫電池中的成功應用，為設計高性能鋰硫電池的先進電極材料提供了一條新的途徑，並可推廣到電催化、超級電容器、金屬-空氣電池等相關領域。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520302421?via%3Dihub

《JACS》論文題目為《Polysulfide Regulation by the Zwitterionic Barrier toward Durable Lithium–Sulfur Batteries》。在液態Li-S電池中，對多硫化物的行為進行合理調控對於改善電池穩定性至關重要。本研究開發出一種獨特的聚合物型兩性離子(PZI)來實現對多硫化物的智能調控。

這種PZI將親硫性與親鋰性集成在同一個聚合物基質中，通過與多硫化物之間的化學相互作用營造了選擇性離子傳輸的環境。研究人員將其用作Li-S電池功能性中間層後發現其對多硫化物有強烈的阻擋作用而可以允許鋰離子穿過，因此能夠顯著抑制多硫化物穿梭問題。基於PZI的電池在長達1000周的深度循環中平均每周容量衰減率只有0.012％，在5C的高倍率下也可以正常工作。此外，研究人員在高硫載量和少量電解液條件下對電池電化學性能進行了測試，300周後電池面容量仍有5.3mAh/cm2。還工作表明這種兩親性聚合物界面層有望在實際鋰硫電池體系中得到廣泛應用。

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b13303

來源 華南師範大學

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