高性能鋰二次電池研究獲進展

2020-10-27 中科院之聲

隨著電動汽車和移動電子產品的發展，社會對能源存儲與轉化提出更高要求，繼鋰離子電池之後，可充電電池的高能量密度、高倍率充放電、高循環穩定性成為需求。鋰硫電池憑藉其高能量密度（2600 Whkg-1）、經濟環保等優勢成為下一代儲能體系的候選者。然而，如單質硫與硫化鋰的不導電性、多硫化鋰中間產物的穿梭效應及充放電過程中體積的變化等問題，降低鋰硫電池的利用率，使得容量衰減迅速，阻礙其商業化。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張躍鋼與藺洪振團隊分別從納米材料結構設計與表面功能化出發，製備不同的活性納米催化劑複合材料，選用原位光譜手段研究其相關作用機制。研究人員優化調控三維石墨烯的孔隙結構及其功能團，實現對可溶的多硫化物的物理與化學強吸附作用（Journal of Power Sources, 2016, 321, 193）；利用原位化學聚合的方式，增強三維石墨烯/碳納米管的複合納米材料的結構穩定性，實現高面積載量（10.2 mgcm-2）硫正極的長壽命穩定循環（圖1）（Nano Energy, 2017, 40, 390）。同時，研究發現僅靠物理化學吸附的手段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。鑑於此，該研究提出多種「吸附+催化」的策略，綜合解決鋰硫電池的關鍵問題，用一步法合成高活性的氧缺陷金屬氧化物（ODMO）納米糰簇催化劑，實驗和理論模擬結果證實，氧缺陷活性位點可顯著加快多硫化物中S-S鍵的斷裂與生成，使電池的容量減率低至0.055%，滿足快速充電/放電以及長期穩定的性能要求（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 12727）。為了降低不導電性反應產物硫化鋰充電時脫鋰離子的難度，加快電化學反應的速度，研究將單原子催化引入到鋰電池領域，結合球差矯正電鏡和同步輻射X射線吸收光譜（XAS）證實單原子催化劑的存在。結果顯示，單原子催化劑可明顯改善基於轉換反應電池的充放電速率，在12C（理論5分鐘充滿）時電池的容量仍有58 8mAh g-1），在5C時1000次循環容量衰減率為0.06%。研究團隊還通過原位XAS手段，初步研究單原子鐵催化劑在脫鋰過程中的演化規律（Energy Storage Materials, 2019, 18, 246）。此外，為了滿足高面積載量鋰硫電池的商業化要求，大容量電池需實現電池的快速充放電。為解決此問題，研究人員在納米碳基底上製備出均勻負載分布單原子鈷（SACo）催化劑複合正極材料，證明單原子催化劑可以加快鋰離子在高面積載量Li2S電極反應中的擴散速率，為實現高能量密度與功率密度的鋰電池提供研究思路（Energy Storage Materials, 2020, 28, 375）。

基於上述研究，研究人員在ChemSusChem撰寫題為Single-Atomic Catalysts Embedded on Nanocarbon Supports for High Energy Density Lithium-Sulfur Batteries的概念文章（ChemSusChem, 2020, 13, 3404），概述近兩年鋰硫電池領域應用碳納米材料負載單原子催化劑的研究工作，闡述原子級催化劑在電池領域催化電化學反應中的重要作用並作出展望。除了正極，研究團隊還在金屬負極研究中取得進展，發現選用合適的電解液可在Sn電極表面形成固體電解質中間相（SEI），提高電池的穩定性與壽命（ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 30500）。

相關研究成果的第一作者均為博士王健，研究工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及德國洪堡基金會（Alexander von Humboldt Foundation）等的支持。

蘇州納米所高性能鋰二次電池研究獲進展

來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所

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