面向國際學術前沿和國家重大戰略需求 大工高性能鋰硫電池電極材料...

2020-11-25 澎湃新聞

面向國際學術前沿和國家重大戰略需求 大工高性能鋰硫電池電極材料研究取得新進展

2020-10-26 23:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

 

大連理工大學蹇錫高院士團隊面向國際學術前沿和國家重大戰略需求，在新型高性能鋰硫電池電極材料研究方面取得新進展。與傳統鋰電池相比，鋰硫電池具有理論能量密度高（2600 W h/kg）、理論容量高（1675 mA h/g）、價格低、環境友好等優點，有望大幅延長手機、無人機、電動車等產品續航續航時間。Sion Power和Oxis Energy等鋰硫電池研發公司預測未來鋰硫電池能量密度可達500Wh/kg以上，是目前商用鋰離子電池兩倍。

但是，硫及其放電產物的低電子導電率和中間產物多硫化鋰的溶解、擴散限制了鋰硫電池發展和應用。因此，具有孔道結構可調控、導電性優異、比表面積大等特點的多孔材料被認為是理想的鋰硫電池正極硫載體。然而，傳統多孔材料只能通過物理吸附抑制多硫化物穿梭，導致電池循環壽命欠佳，而對於雜原子摻雜多孔材料中雜原子對反應動力學影響機制探討不足。因此，如何通過雜原子本徵摻雜製備長壽命、高容量和優異倍率性能的鋰硫電池電極材料，正是鋰硫電池發展的關鍵核心問題。

針對這一問題，蹇院士團隊在前期工作基礎上，設計合成了系列含芳雜環結構單體，創製了一系列三嗪基聚合物網絡材料。通過分子設計可有效調控三嗪基聚合物結構的孔結構、雜原子含量、雜原子類型等微觀結構。合理的孔結構有利於離子傳輸，改善倍率性能；豐富的極性位點可有效吸附多硫化物，大幅延長使用壽命。此外，本文系統研究了N、O雜原子對硫化鋰的氧化還原反應的促進作用，隨著雜原子增多，電極材料具有更低的成核過電勢、核生長過電勢、電化學平衡極化電壓、實際極化電壓，從而具有更高的硫化鋰轉化效率，減少活性物質損失，有效提高活性物質利用率。結果表明，基於NO-CTF-1鋰硫電池正極材料，具有優異的倍率性能（2 C條件下，比容量為678 mA h/g）和優異的循環穩定性（經300次循環充放電過程後，容量保持率高達92％）。相關成果以「Constructing Covalent Triazine-Based Frameworks to Explore the Effect of Heteroatoms and Pore Structure on Electrochemical Performance in Li–S Batteries」為題，發表在高水平期刊Chemical Engineering Journal（If=10.65）。

研究表明，在分子級別進行精確調控，可以有效改善電極材料電性能，通過深入探討雜原子對反應動力學影響，從而對新型高性能鋰硫電池電極材料的設計與構築具有指導意義。同時，本研究為製備高倍率性能、長壽命聚合物基鋰硫電池提供了新思路，有利於推進低成本、長壽命鋰硫電池的發展，為我校功能材料專業的新工科建設提供了有力支撐。

材料學院博士生張天鵬是該項研究的第一作者，材料學院胡方圓副教授和蹇錫高院士為通訊作者。這一工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、遼寧省委組織部、大連市科技局等資助支持。

新聞來源：大連理工大學新聞網

文字作者：材料科學與工程學院   材料學院

編輯：於佳文

校對：白書彬

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