1302
2021-04-06
鋰硫電池因其理論容量高、能量密度高、低成本，被視為下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)。鋰硫電池中可溶性多硫化鋰的穿梭效應(yīng)與高的轉(zhuǎn)化勢(shì)壘，阻礙了活性物質(zhì)的高效利用與商業(yè)化進(jìn)程。鋰硫電池正極的主要問(wèn)題是多硫化物嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)和緩慢的電化學(xué)轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)?；谇捌诘慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究（J. Power Sources, 2016, 321, 193；Nano Energy, 2017, 40, 390），科研人員在體系中引入高活性的缺陷金屬氧化物或金屬單原子催化劑可顯著降低反應(yīng)勢(shì)壘，促進(jìn)多硫化物轉(zhuǎn)化（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12727；Energy Storage Mater. 2020, 28, 375；ChemSusChem, 2020, 13, 3404；Energy Storage Mater. 2019, 18, 246；Energy Environment. Mater. 2020, DOI: 10.1002/eem2.12152；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12727）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子的傳輸動(dòng)力學(xué)對(duì)電池的倍率性能產(chǎn)生較大影響，特別是在高面積載量的鋰硫軟包電池體系中。
針對(duì)上述滯后的多硫化鋰轉(zhuǎn)化與鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所博士王健與研究員藺洪振在快速鋰離子通道型氧化鈮催化劑中引入設(shè)陰離子氧空位，結(jié)合理論計(jì)算，分析了陰離子氧空位催化劑在高面積載量的鋰硫軟包電池中對(duì)多硫離子錨定作用及加速鋰離子傳導(dǎo)作用，推動(dòng)了快充電電池的商業(yè)化進(jìn)程。
納米碳負(fù)載富含陰離子氧空位氧化鈮催化劑（AOV-Nb2O5-x@HHPC）的合成流程如圖2，結(jié)合了簡(jiǎn)單水熱及后續(xù)熱處理的方法。電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，制備的納米氧空位催化劑粒子的尺寸非常小且均勻分布在三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的納米碳材料中。研究人員結(jié)合XPS與Raman光譜，證實(shí)更多的氧空位存在于AOV-Nb2O5-x@HHPC復(fù)合材料中。
通過(guò)紫外吸收光譜，可明顯看出經(jīng)AOV-Nb2O5-x@HHPC吸附催化后殘余多硫化鋰溶液的濃度顯著降低。理論模擬進(jìn)一步顯示，多硫化物與氧空位基催化劑表面的作用力顯著增強(qiáng)，且形成了Nb-S鍵（圖3）。對(duì)稱電池的循環(huán)伏安性能、硫化鋰的沉積能力及Tafel曲線測(cè)試均顯示出空位基催化劑能夠提高多硫化物的轉(zhuǎn)換速率和鋰離子的動(dòng)力學(xué)性能。將硫正極的面積載量增加至4.2 mg cm-2，添加少量的電解液，制備的軟包電池初始面容量可高達(dá)3.54 mA h cm-2且可穩(wěn)定循環(huán)幾十次，這表明陰離子氧化空位催化劑在鋰硫電池中具有廣闊應(yīng)用前景（圖4）。
相關(guān)研究成果以Anionic oxygen vacancies in Nb2O5-x/carbon hybrid host endow rapid catalytic behaviors for high-performance high areal loading lithium sulfur pouch cell為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。程雙、王健為論文第一作者，藺洪振為論文通訊作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及Alexander von Humboldt Foundation等的支持。
圖1.富含陰離子氧空位的AOV-Nb2O5-x@HHPC催化劑的工作機(jī)理及鋰硫軟包電池循環(huán)性能
圖2.Nb2O5@HHPC和Nb2O5-x@HHPC的結(jié)構(gòu)與形貌表征
圖3.基于Nb2O5@HHPC和AOV-Nb2O5-x@HHPC對(duì)Li2S6物理吸附光學(xué)圖片及理論模擬結(jié)果
圖4.基于Nb2O5@HHPC@S和AOV-Nb2O5-x@HHPC@S的鋰硫電池的電化學(xué)測(cè)試
上一篇： 青島能源所揭示有機(jī)太陽(yáng)能電池中電荷傳輸新機(jī)制
下一篇： 研究發(fā)現(xiàn)鎂合金中溶質(zhì)原子在晶界上非對(duì)稱有序偏聚形成二維界面超結(jié)構(gòu)
版權(quán)與免責(zé)聲明：
（1） 凡本網(wǎng)注明"來(lái)源：顆粒在線"的所有作品，版權(quán)均屬于顆粒在線，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已獲本網(wǎng)授權(quán)的作品，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明"來(lái)源：顆粒在線"。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究相關(guān)法律責(zé)任。
（2）本網(wǎng)凡注明"來(lái)源：xxx（非顆粒在線）"的作品，均轉(zhuǎn)載自其它媒體，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，且不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)下載使用，必須保留本網(wǎng)注明的"稿件來(lái)源"，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。
（3）如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問(wèn)題，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。
