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学术进展

熊胜林教授课题组锂硫电池正极材料研究再次取得进展

dangwei    Nov. 25, 2016, 11:40 a.m.

 

近日,钱逸泰院士团队熊胜林教授组在锂硫电池正极材料方面又取得重要研究进展。相关研究成果以“Sole Chemical Confinement of Polysulfides on Nonporous Nitrogen/Oxygen Dual-Doped Carbon at the Kilogram Scale for Lithium–Sulfur Batteries”为题目在线发表在《先进功能材料》(Adv. Funct. Mater., 2016, early view, DOI: 10.1002/adfm.201604265; I.F. = 11.805)。该研究论文的第一作者是我院2014级博士生弭侃,这也是该同学在该领域发表的第二篇AFM

相比于传统的锂离子电池,锂硫电池所采用的正极活性物质硫单质由于具有储量丰富,价格低廉等优点且它的理论比容量和能量密度可高达1672 mAh g12600 Wh kg1,故而,它被认为是一种极有潜力的二次锂离子电池并受到各国研究者的青睐。现阶段,锂硫电池真正的商业化应用依然被一些亟待解决的问题所阻碍,如硫单质导电性差,多硫化物在充放电过程中的扩散穿梭及正极材料的体积膨胀等。针对上述问题,各类形貌的载体材料(如多孔碳材料,极性氧化物等)被设计并用以提高锂硫电池的循环性能。然而,不论是依靠物理毛细吸附作用的多孔碳载体亦或是通过表面化学吸附的极性金属氧化物或功能化修饰的碳材料,在载体材料的大规模制备方面都存在一些尚未克服的问题。如在制备高比表面积载体材料和表面改性的过程中,一些必要但繁琐的步骤往往被采用,这不仅浪费了原料和时间,提高了制备成本,而且就生产规模来说,鲜有文献报告硫的载体可以达到公斤级的制备,这无疑限制了锂硫电池的市场化发展。因此,寻找制备一类载体材料,使它原料廉价易得,制备过程简单方便并可量产,对于锂硫电池的市场化开发就变得十分迫切和必要。

基于上述问题,为了解决市场化需求,熊胜林教授课题组利用价廉易得的聚乙烯吡咯烷酮和葡萄糖为原料公斤级的合成了一种富含氮氧双异质原子掺杂的碳材料(NONPCM-K),利用该碳材料作为硫的载体(NONPCM-K/S-70),在高载硫量的情况下,其电池测试展示了优异的的长循环稳定性和倍率性能。在1 C的电流密度下循环300圈后,其可逆容量保持在540 mAh g-1,所对应的每圈容量衰减率仅为0.058%。以此类碳材料作为锂硫电池的载体并纯粹的通过表面化学吸附来固硫的报道在现阶段还未有报告。它的优点在于:(I)相对于依靠毛细吸附作用的载体材料来说,该类碳材料省略了高孔容制备过程中繁杂的步骤,而且实现了公斤级制备;同时,由于硫单质都吸附在载体的表面,不存在硫单质在充放电过程中体积膨胀所造成的载体孔道坍塌的现象。(II)与提供化学吸附的过渡金属氧化物/碳化物/氮化物相比,该类碳材料来源更广泛,成本更低廉,且导电性更高,适合于工业化生产,进一步的规模化制备和性能优化正在进一步的研究中。 

2016年,该课题组在功能化碳及其复合结构材料与电化学性质研究方面取得了一些列成果,在Energy Environ. Sci. (201691430-1438)Adv. Funct. Mater. ( 2016, 26, 1571-1576.; 2016, 26, early view, DOI: 10.1002/adfm.201604265), J. Mater. Chem ANanoscale等发表论文10篇。上述系列研究得到国家面上项目,山东省自然科学杰出青年基金和山东大学基本科研业务费等项目的支持。

附文论链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201604265/full

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