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青島能源所開發(fā)出雙碳雙活性物質(zhì)的新型鋰-硫（硒）電池體系
2021年08月31日 08:46:13
來源：中國科學(xué)院青島生物能源與過程 點(diǎn)擊量：6203
青島能源所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究組武建飛研究員多年來深耕鋰硫電池領(lǐng)域，針對(duì)鋰硫電池的本征缺陷提出了多種解決思路，并且取得了一系列的創(chuàng)新性研究成果。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近年來，隨著電動(dòng)汽車的推廣和應(yīng)用，當(dāng)今社會(huì)對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件提出了新的要求和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鋰離子電池受制于電極材料較低的理論容量，難以滿足高能量密度儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求?；诙嚯娮愚D(zhuǎn)換反應(yīng)的鋰硫電池具有相對(duì)超高的比能量，并且原料來源豐富、價(jià)格低廉、低毒無害，被認(rèn)為是最具潛力的下一代高能量電池體系之一，成為當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)和方向。
然而，鋰硫電池固有的自身缺陷嚴(yán)重阻礙了其持續(xù)的推廣及應(yīng)用：一方面，由于硫單質(zhì)及還原產(chǎn)物多硫化合物(Li2S/Li2S2)的導(dǎo)電率低，導(dǎo)致鋰硫電池中活性物質(zhì)利用率低，倍率性能差；另一方面，在充放電過程中產(chǎn)生的可溶性多硫化合物，會(huì)導(dǎo)致“穿梭效應(yīng)”的出現(xiàn)，極大的降低了電池的循環(huán)壽命。因此，開發(fā)具有高導(dǎo)電性，同時(shí)對(duì)“穿梭效應(yīng)”具有較強(qiáng)弱化能力的正極材料，是獲取高性能鋰硫電池的關(guān)鍵技術(shù)所在。
青島能源所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究組武建飛研究員多年來深耕鋰硫電池領(lǐng)域，針對(duì)鋰硫電池的本征缺陷提出了多種解決思路，并且取得了一系列的創(chuàng)新性研究成果(Journal of Materials Chemistry A, 6 (2018), 23486-23494; Electrochimica Acta, 295 (2019), 684-692; ACS Applied Materials & Interfaces, 11 (2019), 15607-15615; Advanced Materials Interfaces, 2020, 2001698)。
業(yè)界在前期的研究發(fā)現(xiàn)，與硫同族的硒元素具有和硫類似的轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理，并且鋰硒電池的“穿梭效應(yīng)”可以明顯得到抑制。但較為可惜的是，與鋰硫電池相比，鋰硒電池容量較低，無法滿足高比能電池的要求。針對(duì)這一問題，該研究組博士生楊澤文巧妙利用硫和硒的協(xié)同作用，通過彌補(bǔ)各自體系的“木桶短板”，成功設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有雙碳雙活性物質(zhì)的新型鋰-硫(硒)電池體系。
該體系以殼聚糖基衍生碳為基底，三維纏繞碳納米管構(gòu)成雙碳的活性物質(zhì)載體，這可以有效提高三維碳載體骨架的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；另外，通過煅燒方式負(fù)載硫-硒復(fù)合物作為活性材料，最終獲得具有高容量、高循環(huán)穩(wěn)定性能的鋰硫(硒)電池正極材料。
研究結(jié)果表明，在0.5 C(1 C=1340 mA·g-1)電流密度下，電池經(jīng)過500次循環(huán)后仍然保持833.2 mAh·g-1的高比容量。此外，該工作還利用簡便有效的測試手段對(duì)此電池體系的充放電機(jī)理進(jìn)行了探討，得出了硫-硒復(fù)合物作為活性物質(zhì)的反應(yīng)機(jī)理為鋰硫和鋰硒電池基本反應(yīng)步驟的組合。本工作為解決鋰硫電池的本征缺陷問題提供了新的參考思路；同時(shí)，也為硫族元素在鋰金屬電池中的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
本工作的相關(guān)研究成果最近以“Novel Lithium-Chalcogenide Batteries Combining S, Se and C Characteristics Supported by Chitosan-Derived Carbon Intertwined with CNTs”為題發(fā)表在國際著名期刊Chemical Engineering Journal上(Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131790。IF=13.273)。
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