我室研发出单原子修饰的纳米反应器用于高性能锂硫电池

所属:科研进展 发布于:2020.09.07.03.27

我室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队与有机-无机杂化材料研究组(506组)杨启华研究员团队合作发展了一种单原子锌修饰的中空碳球纳米反应器,同时用作锂硫电池正极、负极的基体,有效地提高了对多硫化物的催化活性并抑制了锂负极枝晶的生长,获得了高载量、高倍率、长循环的高比能锂硫全电池。

锂硫电池具有高的理论能量密度2600 Wh kg-1和比容量1675 mAh g-1,被认为是最具潜力的下一代高能量密度的电化学储能技术。但是由于正极多硫化物的穿梭效应,缓慢的转化动力学以及负极的锂枝晶生长,导致锂硫电池的容量较低,安全性能不高,循环稳定性差,严重限制了其商业化发展。因此,设计一种轻质量、高导电、高催化活性、优异亲锂位点、高机械强度的载体材料,能够同时抑制多硫化物穿梭和金属锂枝晶的锂硫全电池,是目前突破锂硫电池应用瓶颈的一种有效方法。

 图一:单原子锌修饰的中空多孔碳壳用于锂硫全电池的原理图

 

在本工作中,针对锂硫电池存在的科学问题和关键技术瓶颈,充分结合了吴忠帅团队在高性能锂硫电池体系(Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000651; J. Energy Chem., 2019, 36: 64; ACS Nano, 2019, 13, 14308; Nano Energy, 2019, 60, 743; ACS Nano 2018, 12, 2381; ACS Nano, 2020, 14, 8678; Angew. Chem. Int. Ed, 2020, 5, 2和杨启华团队在高效纳米反应器催化体系Angew. Chem. Int. Ed, 2019, 58, 14483; ACS Sustainable Chem. Eng., 2018, 6, 9237; ACS Catal., 2018, 8, 6476; ACS Catal., 2018, 8 11174; Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 2221; Chem. Commun., 2017, 53, 7780; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10956; Chem. Commun., 2015, 51 13731的研究基础,进而优势互补和交叉合作,发展了原子尺度的单原子锌修饰的中空碳壳纳米反应器,具有高的比表面积、多级的孔结构、良好的亲锂金属表面和优异的催化活性,将其同时应用于锂硫电池的正极和负极,有效地提升了正极对多硫化物的吸附催化转化能力并能显著地抑制负极的锂枝晶生长,获得了高载量、高倍率、长循环的高比能锂硫全电池。实现了在700圈长循环的条件下仅有0.015%的容量衰减率,在高的电流密度10 C的条件小仍然具有989 mAhg-1的比容量。这种中空碳壳纳米反应器的设计策略,为基于转化反应的锂硫电池等高能密度能源器件的设计提供了重要的启发意义。

相关研究成果发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上。文章的第一作者是石浩东(508组)和任小敏(506组)。上述工作得到了国家重点研发计划、中科院洁净能源创新研究院等项目的资助。(文/图 石浩东, 任小敏)