锂硫电池正极材料研究新进展

发布日期:2017-10-24     浏览次数:1247次    发布者:黄伟珺    

      董全峰教授课题组在锂硫电池正极材料研究中取得重要进展,相关研究成果以“A Honneycomb-like Co@N-C Composite for Ultra-high Sulfur Loading Li-S batteries”为题发表在ACS Nano上(DOI:10.1021/acsnano.7b06061)。

       锂硫电池是新一代高比能化学电源,董全峰教授课题组对该体系硫复合正极材料开展了系统的研究。前期通过原位拉曼技术并结合理论计算探究锂硫电池的反应机理,证实对载硫基体材料的掺氮修饰可实现单质硫作为正极活性材料的完整充放电循环(Chem. Mater., 2015, 27, 2048−2055);随后首次将Co-N的协同催化效应成功应用于S的氧化还原过程,提出了“多功能,双催化”的概念(EES, 2016, 9, 1998-2004);在提高复合正极材料的硫含量上,该课题组首次制备出非碳类介孔Co4N微球实现了高达95%的载硫量(ACS Nano, 2017, 11, 6031-6039)。

      但是要实现可超越现有锂离子电池的高比能锂硫电池的商业化应用,不仅需要提高复合正极材料的硫含量(high sulfur content, HSC),还需要对硫复合电极的硫载量(high sulfur loading, HSL)进行提升,目前与锂硫电池正极材料的相关报道中硫载量一般都低于3.0 mg cm-2,这是不够的。通常情况下,硫含量和硫载量的提高会导致更严重的“穿梭效应”、更低的容量、更快的容量衰减率等,因此如何在实现“高硫含量和高硫载量”的同时保持着优异的电化学性能是高比能锂硫电池发展过程中存在的一大挑战。董全峰教授课题组在前期研究工作的基础上,利用仿生学原理,采用模板法构筑了一种新型的准二维多孔蜂窝状Co@N-C材料作为锂硫电池的载硫基体。科学研究发现,蜂窝状的结构具有最高的密度、最大的可利用空间以及所需要的材料最少等优势,将这样一种特殊的结构作为锂硫电池的骨架材料,不仅让具有高比表面积的单片蜂窝状实现高含量的硫复合(93.6 wt%),还可以通过多层蜂窝片的有序堆积实现高的载硫量(7.5 mg cm-2),同时保持了Co-N的“双催化”、多功能的作用,取得了优异的电化学性能。

                          

       该研究工作主要是由我院2013级博士生李艺娟在董全峰教授和郑明森副教授的指导下完成,范镜敏博士、硕士生张金花和杨静芳等参与了部分工作。此工作得到了袁汝明老师和台湾国立中央大学张仁奎教授的积极帮助与支持,并得到了科技部重大基础研究计划(973计划,项目批准号:2015CB251102)、国家自然科学基金委(项目批准号:U1305246, 21673196,21621091)和中央高校基本科研业务费专项资金(项目批准号:20720150042)的资助。

       论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b06061