納米創新研究院研究成果在《Advanced Functional Materials》發表

2020-12-04 內蒙古民族大學

近日，我校納米創新研究院劉景海教授團隊在柔性納米纖維膜反應器促進鋰/硫化學轉化領域的研究成果，以《Flexible Electrocatalytic Nanofiber Membrane Reactor for Lithium/Sulfur Conversion Chemistry》為題，發表在材料科學領域國際著名期刊《Advanced Functional Materials》上（IF=15.621）。論文第一作者為我校與華南師範大學聯合培養博士研究生，研究工作全部在納米創新研究院完成。

鋰/硫電池（Li/S batteries）具有理論能量密度高（2600 Wh kg-1）和低成本等優勢，吸引了儲能產業界和能源材料領域廣泛關注。然而，理解Li/S轉換化學、推進產業化發展任重道遠，這主要因為充放電循環過程中容量衰減快，安全性及各組元不匹配導致能量密度低的問題。其中，關鍵科學問題，Li+S8→Li2Sx（1≤x≤ 8）的化學轉化過程中的瓶頸：（1）氧化還原反應動力學遲緩、S的有效利用率低；（2）可溶多硫化鋰嚴重的穿梭效應，及其與鋰負極之間發生的副反應。

該研究首次報導了一種柔性高導電的TiN–Ti4O7異質核殼結構納米纖維（TiNOC）膜反應器，用於電催化調製Li/S轉化化學。採用實驗結合DFT理論計算方法探索了TiNOC膜反應器對LiPSs的電催化和化學吸附限域的機制，開發模塊化電極技術實現了優於商用鋰離子電池的性能。研究發現，納米纖維中的Ti、N和O原子作為電催化和化學吸附限域的活性位點，加速長鏈LiPS轉化和相變動力學、抑制穿梭效應。最優吸附構型拉長Li-S和S-S鍵鍵長、驅動電荷沿Ti-S和Li-N鍵轉移、有助於化學鍵的斷裂和形成，加速了固態S8、Li2S2和Li2S的活化轉化。模塊化電極構造使得硫利用率高達91.20 %、5C高倍率下放電容量為869.10 mA h g-1，200圈穩定循環的容量保持率為92.49 %、平均庫侖效率為99.57 %。高硫負載下（12.00 mg cm-2），在2.26 mA時輸出面積比容量14.40 mA h cm-2，並且在60圈充放電循環後容量保持率仍高達89.30 %。兩塊串聯電池可以為60個LED燈泡提供69.00 mWh的能量，可連續供電1小時以上。

該研究歷時兩年多的積累，與清華大學張躍鋼教授團隊、華南師範大學李偉善教授團隊聯合攻關，同時得到吉林大學無機合成與製備化學重點實驗室和南開大學先進能源材料化學教育部重點實驗室開放基金支持。

原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910533

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