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分子笼纳米限域封装廉价无机锂盐构筑高活性、低成本纳米硫化锂正极
2019-12-24 23:34  

原文链接:https://nyxr-home.com/29044.html

【研究背景】

   锂硫电池是一类以单质硫为正极、金属锂为负极的新型高能量电池体系,具有高能量密度、低成本、绿色环保等优点,是极具前景的新一代储能与动力电池关键技术。但因金属锂负极枝晶生长、结构膨胀等导致的电池性能急剧衰减与短路、火灾等安全风险仍使锂硫电池在载人交通工具、空间技术等对安全性、可靠性需求突出的领域难以得到实际应用。

   作为硫的富锂态化合物,硫化锂正极材料的应用为解决以上问题提供了新的思路。与传统正极材料及硫相比,硫化锂正极材料具有诸多独特优势:(1) 理论比容量(1166 mAh g-1)是三元金属氧化物正极材料的数倍,适用于构筑高比能量锂硫电池;(2) 结构初始富锂(66.67 at.% Li),无嵌锂体积膨胀效应,特别适用于高活性物质负载量正极制造;(3) 可与不含锂的高容量负极材料 (如硅、锡基材料等)匹配构建无金属锂的高比能量锂硫电池。因而可望替代传统正极材料以创制兼具高比能量与高安全性的实用化锂硫电池。但硫化锂正极材料也受限于电子离子绝缘性导致的高活化能垒、多硫化物溶解流失等诸多问题。此外,商业化硫化锂价格高昂,且水氧敏感,为基于其的新结构、高性能正极材料的设计构筑与电极制造工艺技术带来了巨大挑战。

【成果简介】

   对此,大连理工大学王治宇教授(通讯作者)、苏州大学晏成林教授(通讯作者)与北京化工大学邱介山教授(通讯作者)在Adv. Funct. Mater.发表了题为“A molecular-cage strategy enabling efficient chemisorption–electrocatalytic interface in nanostructured Li2S cathode for Li metal-free rechargeable cells with high energy”的论文。提出基于有序金属有机化合物分子笼,在纳米尺度限域空间内均匀封装并高效分散廉价、空气稳定的无机锂盐(如Li2SO4)分子/离子团簇,耦合原位限域热还原-化学转化反应,建立了一种高活性、低成本纳米硫化锂/碳复合正极材料的构筑新策略。此类材料内含由金属有机物分子笼衍生而成的氮掺杂多孔碳及金属硫化物纳米点所构成的多功能吸附-催化反应界面。综合原位X射线衍射光谱、原位紫外光谱与第一性原理计算的分析表征表明:得益于超细硫化锂的纳米尺寸效应及其与吸附-催化反应界面的高效协同作用,该正极材料中硫化锂的活化及氧化活性得到显著增强,同时对多硫化物表现出优异的吸附性能与氧化还原转化反应催化活性。在硫化锂负载量为2.0 mg cm-2,0.2-8.0 C倍率条件下,其比容量可达570-820 mAh g-1,并可稳定循环1000次。在硫化锂负载量为7.0 mg cm-2时其面积比容量可达4.81 mAh cm-2。将所得硫化锂正极材料与硅负极匹配构建的无金属锂二次电池能量密度高达673 Wh kg-1,并可在0.2-1 C倍率条件下稳定循环200次。展现了硫化锂正极材料在构筑高能量、高安全性无金属锂储能与动力电池方面的应用潜力。

   文章共同第一作者为大连理工大学博士生于明亮和副教授周思。工作受到国家自然科学基金委员会、辽宁省科技厅、大连理工大学的共同资助。

【图文导读】

Adv. Funct. Mater.: 分子笼纳米限域封装廉价无机锂盐构筑高活性、低成本纳米硫化锂正极1. 基于有序金属有机化合物分子笼纳米限域封装廉价无机锂盐构筑高活性、低成本纳米硫化锂/碳复合正极材料之策略示意图。

Adv. Funct. Mater.: 分子笼纳米限域封装廉价无机锂盐构筑高活性、低成本纳米硫化锂正极2. a-c) 本研究所得硫化锂正极材料的本征电化学性能;d-f) 基于此类硫化锂正极材料与硅负极构建的无金属锂二次电池的电化学性能。

Adv. Funct. Mater.: 分子笼纳米限域封装廉价无机锂盐构筑高活性、低成本纳米硫化锂正极3. 由金属有机物分子笼衍生的碳/金属硫化物多功能吸附-催化反应界面对硫化锂活化与氧化分解动力学的影响。

Adv. Funct. Mater.: 分子笼纳米限域封装廉价无机锂盐构筑高活性、低成本纳米硫化锂正极4. 由金属有机物分子笼衍生的碳/金属硫化物多功能吸附-催化反应界面对多硫化物吸附与催化转化行为的影响。

【总结与展望】

   综上所述,作者基于一种分子笼策略,耦合廉价锂盐分子/离子团簇的原位限域热还原-化学转化反应,建立了高性能、低成本纳米硫化锂正极材料的构筑新策略。基于氮掺杂多孔碳及金属硫化物纳米点构成的多功能吸附-催化反应界面及其与超细硫化锂的协同作用赋予此类电极材料优异的倍率性能与循环稳定性。所得硫化锂正极材料可与硅负极匹配,构建能量密度高达673 Wh kg-1、高安全性的无金属锂二次电池,从根源上避免了使用金属锂导致的性能衰减与安全风险,在高能量、高安全性储能与动力电池方面具有应用潜力。

Mingliang Yu, Si Zhou, Zhiyu Wang,* Wei Pei, Xuejun Liu, Chang Liu, Chenglin Yan,* Xiangyu Meng, Song Wang, Jijun Zhao, and Jieshan Qiu.* A Molecular-Cage Strategy Enabling Efficient Chemisorption–Electrocatalytic Interface in Nanostructured Li2S Cathode for Li Metal-Free Rechargeable Cells with High Energy, Adv. Funct. Mater., 2019,DOI:10.1002/adfm.201905986.

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