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青島能源所開發(fā)出雙碳雙活性物質(zhì)的新型鋰-硫（硒）電池體系
2021年08月31日 08:46:13
來源：中國科學(xué)院青島生物能源與過程 點擊量：6186
青島能源所先進儲能材料與技術(shù)研究組武建飛研究員多年來深耕鋰硫電池領(lǐng)域，針對鋰硫電池的本征缺陷提出了多種解決思路，并且取得了一系列的創(chuàng)新性研究成果。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近年來，隨著電動汽車的推廣和應(yīng)用，當(dāng)今社會對電化學(xué)儲能器件提出了新的要求和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鋰離子電池受制于電極材料較低的理論容量，難以滿足高能量密度儲能系統(tǒng)的要求。基于多電子轉(zhuǎn)換反應(yīng)的鋰硫電池具有相對超高的比能量，并且原料來源豐富、價格低廉、低毒無害，被認(rèn)為是最具潛力的下一代高能量電池體系之一，成為當(dāng)前電化學(xué)儲能領(lǐng)域的重要研究熱點和方向。
然而，鋰硫電池固有的自身缺陷嚴(yán)重阻礙了其持續(xù)的推廣及應(yīng)用：一方面，由于硫單質(zhì)及還原產(chǎn)物多硫化合物(Li2S/Li2S2)的導(dǎo)電率低，導(dǎo)致鋰硫電池中活性物質(zhì)利用率低，倍率性能差；另一方面，在充放電過程中產(chǎn)生的可溶性多硫化合物，會導(dǎo)致“穿梭效應(yīng)”的出現(xiàn)，極大的降低了電池的循環(huán)壽命。因此，開發(fā)具有高導(dǎo)電性，同時對“穿梭效應(yīng)”具有較強弱化能力的正極材料，是獲取高性能鋰硫電池的關(guān)鍵技術(shù)所在。
青島能源所先進儲能材料與技術(shù)研究組武建飛研究員多年來深耕鋰硫電池領(lǐng)域，針對鋰硫電池的本征缺陷提出了多種解決思路，并且取得了一系列的創(chuàng)新性研究成果(Journal of Materials Chemistry A, 6 (2018), 23486-23494; Electrochimica Acta, 295 (2019), 684-692; ACS Applied Materials & Interfaces, 11 (2019), 15607-15615; Advanced Materials Interfaces, 2020, 2001698)。
業(yè)界在前期的研究發(fā)現(xiàn)，與硫同族的硒元素具有和硫類似的轉(zhuǎn)化反應(yīng)機理，并且鋰硒電池的“穿梭效應(yīng)”可以明顯得到抑制。但較為可惜的是，與鋰硫電池相比，鋰硒電池容量較低，無法滿足高比能電池的要求。針對這一問題，該研究組博士生楊澤文巧妙利用硫和硒的協(xié)同作用，通過彌補各自體系的“木桶短板”，成功設(shè)計開發(fā)了一種具有雙碳雙活性物質(zhì)的新型鋰-硫(硒)電池體系。
該體系以殼聚糖基衍生碳為基底，三維纏繞碳納米管構(gòu)成雙碳的活性物質(zhì)載體，這可以有效提高三維碳載體骨架的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；另外，通過煅燒方式負(fù)載硫-硒復(fù)合物作為活性材料，最終獲得具有高容量、高循環(huán)穩(wěn)定性能的鋰硫(硒)電池正極材料。
研究結(jié)果表明，在0.5 C(1 C=1340 mA·g-1)電流密度下，電池經(jīng)過500次循環(huán)后仍然保持833.2 mAh·g-1的高比容量。此外，該工作還利用簡便有效的測試手段對此電池體系的充放電機理進行了探討，得出了硫-硒復(fù)合物作為活性物質(zhì)的反應(yīng)機理為鋰硫和鋰硒電池基本反應(yīng)步驟的組合。本工作為解決鋰硫電池的本征缺陷問題提供了新的參考思路；同時，也為硫族元素在鋰金屬電池中的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
本工作的相關(guān)研究成果最近以“Novel Lithium-Chalcogenide Batteries Combining S, Se and C Characteristics Supported by Chitosan-Derived Carbon Intertwined with CNTs”為題發(fā)表在國際著名期刊Chemical Engineering Journal上(Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131790。IF=13.273)。
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