北理工前沿交叉院黃佳琦特別研究員在Adv. Funct. Mater.發(fā)表鋰硫電池領(lǐng)域綜述
發(fā)布日期：2018-07-16 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：朱倩云 審核：王博 閱讀次數(shù)：近日,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃佳琦特別研究員在Advanced Functional Materials（《先進功能材料》，影響因子13.325）上發(fā)表了題為“Heterogeneous/Homogeneous Mediators for High-Energy Density Lithium–Sulfur Batteries: Progress and Prospects”的綜述性論文,，討論了鋰硫電池中氧化還原反應(yīng)動力學(xué)的機理，綜合分析了非均相和均相轉(zhuǎn)化介質(zhì)設(shè)計的最新進展,，并最終提出了從介質(zhì)設(shè)計角度來構(gòu)建高能量密度的鋰硫電池,。論文通訊作者為黃佳琦特別研究員,。
圖1 (a) 高硫負載/含量的鋰硫電池面臨的問題; (b) 轉(zhuǎn)化反應(yīng)介質(zhì)對高能量密度鋰硫電池的促進作用的示意圖
鋰硫電池因其高理論能量密度有望成為下一代高能量密度電池系統(tǒng)。然而,，為了實現(xiàn)電池的實際應(yīng)用,，正極材料中硫的質(zhì)量百分比和面載量需要顯著增加，這不可避免地使過程復(fù)雜化并導(dǎo)致嚴重的穿梭效應(yīng),、緩慢的氧化還原動力學(xué)過程以及更嚴重的副反應(yīng)（圖1a）,。上述問題使得構(gòu)建具有高硫含量、高面載量和低E/S比的高能量密度鋰硫電池變得更加困難,。最近,，合理設(shè)計有效的介質(zhì)并將其應(yīng)用于工作電池中，成為一種構(gòu)建高能量密度鋰硫電池的有效方法（圖1b）,。對于有助于電子或空穴轉(zhuǎn)移,，并且在電化學(xué)能量系統(tǒng)中可以降低阻抗促進反應(yīng)動力學(xué)的材料，研究人員用“介質(zhì)”這一術(shù)語對其進行分類,。引入介質(zhì)可以有效增強鋰硫電池的氧化還原動力學(xué)并提高其反應(yīng)效率,，從而在高倍率下實現(xiàn)更好的活性材料利用率和穩(wěn)定性。
圖2 有效的非均相和均相介質(zhì)的設(shè)計原則：兩個最外面的圓圈表示非均相（青色）和均相（粉色）的共同工作范圍,?！皊”和“f”：“固體”和“液體”
在典型的鋰硫電池中，多硫化物總是以液相存在,。在鋰硫電池的化學(xué)反應(yīng)中,，盡管非均相和均相介質(zhì)以不同方式起作用，但是它們均能促進電荷轉(zhuǎn)移并增強相關(guān)反應(yīng)的動力學(xué),。非均相介質(zhì)充當電子或空穴傳輸?shù)耐ǖ?，通過表面結(jié)合氧化還原中間體來降低電荷轉(zhuǎn)移阻力和改變反應(yīng)轉(zhuǎn)變狀態(tài)。均相介質(zhì)則會在工作的電化學(xué)窗口內(nèi)表現(xiàn)出某些氧化還原活性,，因此通過化學(xué)方式起作用以活化氧化還原底物,。在文中，研究人員簡要回顧了鋰硫電池中具有代表性的異相和均相介質(zhì),。非均相介質(zhì)主要利于穿梭效應(yīng)的抑制,、液液相變中的動力學(xué)增強和液固轉(zhuǎn)化過程的初始活化。在這種情況下,，多硫化鋰和介質(zhì)之間的相互作用是核心,。均相介質(zhì)主要負責可溶性物質(zhì)的空間分布控制和非活性物質(zhì)的再活化過程。從這方面來看,，均相介質(zhì)與固體硫/硫化鋰之間的相互作用起著主導(dǎo)作用,。非均相或均相介質(zhì)的開發(fā)將推動高性能鋰硫電池的發(fā)展，兩者的合理組合和理性設(shè)計更是一種有吸引力的構(gòu)建高能量密度鋰硫電池的方案,。隨著原子/分子模擬,、分析方法和表征工具的進步,，這一合理設(shè)計最終將成為可能。
作者簡介：
黃佳琦特別研究員2012年博士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程系,，2016年9月入職北理工前沿交叉科學(xué)研究院并組建課題組開展研究工作,，在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金,、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計劃的資助下,，主要開展能源存儲材料研究。黃佳琦特別研究員以第一作者/通訊作者身份,，在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials, Science Bulletin等期刊發(fā)表一系列研究工作,。其發(fā)表論文的總引用8000余次，h因子為54,，其中33篇為ESI高被引論文,。
黃佳琦擔任中國顆粒學(xué)會青年理事會理事，Journal of Energy Chemistry《能源化學(xué)》及Chinese Chemical Letters《中國化學(xué)快報》青年編委,，任Advanced Functional Materials《先進功能材料》鋰硫電池專刊,，Journal of Energy Chemistry 《能源化學(xué)》下一代電池?？妥庉嫛Ｈ脒x首屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃,，獲評中國化工學(xué)會侯德榜化工科技青年獎,。
論文鏈接：
Heterogeneous/Homogeneous Mediators for High-Energy Density Lithium–Sulfur Batteries: Progress and Prospects. Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1707536. DOI: 10.1002/adfm.201707536
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201707536
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