北理工課題組在鋰硫電池轉(zhuǎn)化反應(yīng)強(qiáng)化領(lǐng)域取得研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-06-09 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
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近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用氧化還原輔介體（coRM）提升使用封裝多硫化物電解液（EPSE）鋰硫電池中硫正極氧化還原動(dòng)力學(xué)的策略，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Angewandte Chemie》（《德國應(yīng)用化學(xué)》，影響因子16.823），題為《An Organodiselenide Comediator to Facilitate Sulfur Redox Kinetics in Lithium–Sulfur Batteries with Encapsulating Lithium Polysulfide Electrolyte》。本文的通訊作者為北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院李博權(quán)副研究員和黃佳琦教授，第一作者為北京理工大學(xué)材料學(xué)院/前沿交叉科學(xué)研究院碩士研究生劉怡然。
鋰硫電池具有高達(dá)2600 Wh kg?1的理論能量密度，是最具前景的下一代二次電池體系之一，受到人們廣泛關(guān)注。然而鋰硫電池電解液中的可溶性多硫化物會與鋰金屬負(fù)極發(fā)生副反應(yīng)，腐蝕鋰負(fù)極，嚴(yán)重制約鋰硫電池的循環(huán)壽命。通過有效調(diào)節(jié)多硫化物的溶劑化結(jié)構(gòu)，封裝多硫化物電解液（EPSE）能夠抑制多硫化物與鋰負(fù)極之間的副反應(yīng)，有效延長鋰硫電池壽命。但在由 EPSE 構(gòu)建的多硫化物雙殼層溶劑化結(jié)構(gòu)中，其外殼層溶劑的溶劑化能力較弱，不可避免地犧牲了硫正極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，使得采用 EPSE 的鋰硫電池在提升循環(huán)壽命的同時(shí)，普遍存在電池充放電極化大、放電比容量低、倍率性能差以及軟包電池能量密度低等一系列問題。
針對上述問題，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用氧化還原輔介體（coRM）提升 EPSE 鋰硫電池中硫正極氧化還原動(dòng)力學(xué)的策略，用以構(gòu)建兼具高能量密度和長循環(huán)壽命的鋰硫軟包電池器件。
圖1 EPSE/coRM鋰硫電池中的反應(yīng)示意圖
圖2 EPSE/coRM體系中硫正極氧化還原動(dòng)力學(xué)評價(jià)
團(tuán)隊(duì)研究人員引入二甲基二硒醚（DMDSe）作為coRM。測試結(jié)果表明，coRM可以有效促進(jìn)多硫化物在 EPSE 中的液–液和液–固轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)，將放電產(chǎn)物L(fēng)i2S的沉積模式由二維沉積轉(zhuǎn)為三維沉積，使得Li2S沉積的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)更快、放電比容量更高。
團(tuán)隊(duì)研究人員利用掃描電子顯微鏡比較了常規(guī)DOL/DME基電解液、EPSE 和 EPSE/coRM 在0.1 C循環(huán)后鋰硫電池中的鋰沉積形貌，并進(jìn)一步通過X射線光電子能譜分析了沉積鋰上的 SEI 組成。測試結(jié)果表明，coRM/EPSE能夠有效地提升鋰沉積的均勻性，減少不可逆的活性鋰損耗，在0.1 C下循環(huán)后的EPSE/coRM 電池中鋰負(fù)極表面SEI的硫含量更低。同時(shí)，多硫化鋰的穿梭電流在EPSE/coRM電池中保持較低水平。以上實(shí)驗(yàn)證明了EPSE/coRM在提升硫正極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的同時(shí)，保持了抑制多硫化物與鋰金屬負(fù)極之間副反應(yīng)并保護(hù)金屬鋰負(fù)極的能力。
圖3 使用 EPSE/coRM 的鋰硫電池的綜合性能
在使用50 μm薄鋰負(fù)極和4.0 mgS cm?2高載量硫正極的條件下，EPSE/coRM體系在保持高放電比容量的前提下將鋰硫紐扣電池的循環(huán)壽命提升至130圈，較之應(yīng)用常規(guī)DOL/DME電解液的鋰硫電池循環(huán)壽命延長近兩倍。研究人員進(jìn)一步組裝并測試了設(shè)計(jì)容量為1.5 Ah 的EPSE/coRM鋰硫軟包電池，實(shí)現(xiàn)了359 Wh kg?1的首圈能量密度，并可以穩(wěn)定循環(huán)37圈（能量密度基于所有軟包電池組件計(jì)算得到）。
該工作提出的EPSE/coRM體系集成了EPSE 提供的高循環(huán)穩(wěn)定性和coRM 提供的高能量密度優(yōu)勢，為鋰硫電池同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度和長循環(huán)穩(wěn)定性提供了有效策略，為復(fù)雜電化學(xué)體系中多策略合理組合的研究范式提供了參考。
論文詳情：Yiran Liu, Meng Zhao, Li-Peng Hou, Zheng Li, Chen-Xi Bi, Zi-Xian Chen, Qian Cheng, Xue-Qiang Zhang, Bo-Quan Li,* Stefan Kaskel, and Jia-Qi Huang*. Organodiselenide Comediator to Facilitate Sulfur Redox Kinetics with Encapsulating Lithium Polysulfide Electrolyte, Angewandte Chemie International Edition, DOI:10.1002/anie.202303363.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202303363
附作者簡介：
李博權(quán)，2016年本科畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)系，2020年博士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程系，同年加入北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院擔(dān)任預(yù)聘助理教授/特別副研究員。主要從事高能量密度鋰硫電池和金屬空氣電池的化學(xué)機(jī)制、材料構(gòu)筑與器件應(yīng)用等方面的研究。相關(guān)研究成果發(fā)表SCI論文100余篇，包括39篇ESI高被引論文，引用10000余次，H因子59，授權(quán)6項(xiàng)中國發(fā)明專利。主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年基金等項(xiàng)目，擔(dān)任《Journal of Energy Chemistry》期刊編委，入選2021–2022年科睿唯安高被引科學(xué)家。
黃佳琦，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。長期從事前沿高比能電池能源化學(xué)研究。面向高比能、高安全、長壽命的鋰硫及金屬鋰等新體系電池應(yīng)用需求，開展其中界面電化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)制，界面關(guān)鍵能源材料等相關(guān)研究，并拓展其在高性能電池實(shí)用化器件中的應(yīng)用。相關(guān)研究成果在Adv Mater, J Am Chem Soc, Angew Chem等期刊發(fā)表研究工作200余篇，h因子為106，其中80余篇為ESI高被引論文。入選首屆中國科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃，獲評中國青年科技獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)，中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)，中國顆粒學(xué)會自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，中國顆粒學(xué)會青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)，入選國家級人才計(jì)劃，主持北京市杰出青年科學(xué)基金，入選2018?2022年科睿唯安全球高被引科學(xué)家等。
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