南洋理工/清华/中国矿大（北京）AFM: 有序且扩展的锂离子通道，实现无枝晶和快速动力学锂硫电池- 大数跨境

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南洋理工/清华/中国矿大（北京）AFM: 有序且扩展的锂离子通道，实现无枝晶和快速动力学锂硫电池

科学材料站

2024-11-30

导读：本文通过构建一个具有固定可溶性多硫化物并调节Li+通量的人工层，有效地缓解了锂枝晶生长与多硫化物穿梭的问题

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文章信息

有序且扩展的锂离子通道，用于无枝晶和快速动力学锂硫电池

第一作者：Da-Qian Cai

通讯作者：赵世玺*，杨金霖*，刘瑞平*

单位：新加坡南洋理工大学，清华大学，中国矿业大学（北京）

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研究背景

锂硫电池具有高能量比容量（1675 mAh g⁻¹）、硫储量丰富等优势，被广泛认为是具有潜力的下一代储能技术。然而，其实际应用面临着来着负极和正极的技术问题。在负极侧，不均匀的Li⁺以及尖端效应会导致锂枝晶的形成，使得电池短路失效并造成安全隐患。此外，硫正极在电化学过程中会形成可溶性多硫化锂 (LiPS) 中间产物，容易自发扩散脱离正极侧，并且其反应动力学缓慢，导致电池容量快速衰减、能量效率低下。

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文章简介

基于此，新加坡南洋理工大学杨金霖，清华大学赵世玺，和中国矿业大学（北京）刘瑞平合作，通过构建一个具有固定可溶性多硫化物并调节Li⁺通量的人工层，有效地缓解了锂枝晶生长与多硫化物穿梭的问题。

通过对未扩展层间距的LiMMT与Ex-LiMMT进行硫物种的氧化还原动力学分析，证实了Ex-LiMMT中扩展的层间距能够实现快速Li⁺扩散从而提升了硫物质的反应动力学。该研究工作以《Ordered and Expanded Li Ion Channels for Dendrite-Free and Fast Kinetics Lithium–Sulfur Battery》为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

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本文要点

1. 通过分子插层的方法制造了一种扩张层间距的锂蒙脱石，作为Li-S电池的双重调节器，同时实现对硫正极与锂负极的调控。

2. 层间扩展的蒙脱石（Ex-LiMMT）具有有序的二维Li⁺扩散通道，表现出比未扩层LiMMT更高迁移数和优良的Li⁺电导率，从而实现了均匀的锂沉积，避免锂枝晶的形成。

3. 具有亲锂性的Ex-LiMMT能够促进Li⁺的脱溶剂化过程，并对多硫化物具有适度的吸附能力，有效抑制多硫化物的穿梭。同时，结合促进的Li⁺扩散行为，增强了硫物种的氧化还原反应动力学。

4. 这种独特的结构使得Li-S电池具有更优的倍率性能，并在 0.5C 下寿命延长至 1000 次循环，容量衰减低至每循环 0.04%。在高硫载量和贫电解液下，实现具有2.8 Ah容量的软包电池，展现出优良的应用价值。

图1. 具有扩展层间距的Ex-LiMMT的结构及成分分析。

图2. Li金属负极的电化学性能与沉积行为研究。

图3. 多硫化物/硫化锂的媳妇行为研究。

图4. 硫物种的氧化还原动力学分析。

图5. Li-S全电池电化学性能研究。

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文章链接

Ordered and Expanded Li Ion Channels for Dendrite-Free and Fast Kinetics Lithium–Sulfur Battery

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202419165

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通讯作者简介

赵世玺简介：博士，清华大学深圳国际研究生院副教授。主要研究方向包括：信息功能陶瓷，锂离子电池正极材料，材料化学合成与结构控制。参与完成国家自然科学基金，国家“863”等多项国家级科研项目，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy 等国内外核心期刊发表论文30多篇，获发明专利2项。

杨金霖简介：博士，南洋理工大学能源研究所（ERI@NTU）研究员，Front. Chem. 期刊客座副主编。主要研究方向为高比能水系电池与转化机制电池，以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Matter, Adv. Energy Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Lett., ACS Energy Lett., Nano Energy等学术期刊发表论文20余篇，H因子25, 获授权中国发明专利 3 项。

刘瑞平简介：博士，中国矿业大学（北京）教授，博士生导师，北京优秀人才青年骨干计划、北京科技新星计划、学校越崎青年学者计划以及北京优秀人才青年拔尖人才计划入选者。现任中国矿业大学（北京）科学技术研究院副院长，兼任中国材料研究学会青年工作委员会理事、中国机械工程学会工程陶瓷专业委员会理事、Journal of Advanced ceramics、Nano-Micro Letters、Energy & Environmental Materials、Chinese Chemical Letters、Rare metals和现代技术陶瓷的编委或青年编委等。

主要从事高比能二次电池关键材料的基础和应用基础研究，主持承担了国家自然科学基金面上项目、青年基金、北京市自然科学基金重点基金、面上项目、北京市自然科学基金-海淀区原始创新基金项目、北京市科技新星交叉课题、河北省重点研发等30余项科研项目。曾获省（部）级成果鉴定 3 项，省（部）级科技进步一等奖 1 项、二等奖 3 项，参与撰写英文著作 2 部、获授权中国发明专利 6 项，在Joule、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater等国内外重要学术刊物上发表论文 100 余篇，其中 SCI 检索 100 余篇，H因子27，入选 2023年全球前 2％顶尖科学家榜单。