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安徽大学鹿可，EES：低温全固态钠硫体系硫转化调控

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2024-07-12

导读：安徽大学鹿可，EES：低温全固态钠硫体系硫转化调控

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文章信息

低温全固态钠硫体系硫转化限域连续催化调控

第一作者：张维维

通讯作者：鹿可*

单位：安徽大学

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研究背景

固体电解质的低温(<100°C)电池中的硫氧化还原的理解仍然处于起步阶段，控制复杂的多相硫/多硫化物氧化还原过程，建立的电催化和/或共催化策略为Na-S电池中多步硫转化行为的调控提供“根本”解决方案，是缓解阴极钝化和释放全固态Na-S电化学高能电位的基本途径。本篇观点展示了通过设计具有蛋黄-壳结构的限域载体，实现了对硫物种电化学途径的精准调控。这种结构不仅提供了局部限制环境，还通过串联电催化效应，协同催化了封装硫/硫化物的转化。调控了连续、可控的准固态硫转化，为低N/P比、低温的全固态Na-S电池提供了高的可逆容量和能量密度。这一创新为低温和室温固态金属-硫电池的发展开辟了新的可能性。

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文章简介

近日，来自安徽大学的鹿可，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Confined tandem catalytic quasi-solid sulfur reversible conversion for all-solid-state Na–S batteries”的研究文章。实现了，低N/P比全固态Na-S电池展现出高达880 Wh/kg的能量密度。

图1. 全固态Na-S电池研究分析。

图2. 功能载体设计制备与表征。

设计了一种核壳结构的同轴纳米管，为硫的转化提供了局部限制环境。该纳米管具有核壳结构，通过HAADF-STEM和相应的元素分布，可以看出硫在MnHCF/PPy@MnO₂纳米管中的分布情况。元素分布显示了Mn、O、C等元素在纳米管中的分布，进一步确认了材料的同轴结构。XRD结果表明，MnO₂和MnHCF的特征峰明显，这表明这些材料在纳米管中成功复合。这些结果表明硫在纳米管中的封装是均匀且有效的，有助于提高电池的电化学性能。TGA结果表明，硫的最大含量可达60 wt%，显示了硫在纳米管中的高效封装。其中MnO₂和MnHCF协同催化硫/硫化物的转换，提高了多硫化物的转化效率。

图3. 功能载体设计制备与表征。

电池在首次放电-充电过程中的UV-Vis光谱，MnHCF/PPy@S电池的UV-Vis光谱与PPy@S电池相比，MnHCF/PPy@S电池在放电过程中显示出较弱的多硫化物吸收峰，表明MnHCF纳米簇在多硫化物转化中起到了催化作用。经过50次循环后的UV-Vis光谱，进一步确认了MnHCF/PPy@S@MnO₂正极在多硫化物封装和转化中的优异性能和高的循环稳定性。

图4. 限域串联电催化准固态可逆硫转化的机理研究。

原位Raman和XRD光谱显示了在放电和充电过程中多硫化物的转化路径。通过原位Raman光谱分析，揭示了不同硫正极在放电和充电状态下的多硫化物转化路径。结果表明，MnO₂催化中心能够有效促进长链多硫化物的转化，而MnHCF纳米簇则能加速短链多硫化物的完全转换，显著提升硫的转化效率，确保硫在放电和充电过程中的高效还原和氧化。

图5. 全固态Na-S电池性能。

MnO₂与长链多硫化物强相互作用，且底物和中间体之间的结合能较高，而MnHCF更倾向与短硫中间体相互作用。全固态Na-S电池（Na₃Zr₂Si₂PO₁₂作为固态电解质）的电化学性能测试结果显示，MnHCF/PPy@S@MnO₂的放电比容量分别为1111 mAh g^-1，100 个循环后容量保持率为 72.2%。同时采用该纳米管结构的电池在80°C条件下表现出高达880 Wh/kg的能量密度，显著高于传统结构的Na-S电池。未来的研究将进一步优化多硫化物的转化路径，开发低温和室温下高性能的固态金属硫电池。

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文章链接

Confined tandem catalytic quasi-solid sulfur reversible conversion for all-solid-state Na–S batteries, Energy Environ. Sci., 2024.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee01750a

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通讯作者简介

鹿可：安徽大学教授，江苏省姑苏创业领军人才。2018年在山东大学获得博士学位(导师:马厚义教授)；2017年到2018年，在同济大学进行固态锂/钠电池项目博士联培(导师:黄云辉教授/罗巍教授)；2018年到2020年，在美国Northern Illinois University/Argonne National Laboratory从事博士后研究。在CCS Chem.(2)、Sci. China Chem.、EES、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew.(4)、ACS Nano(3)、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.(4)、Chem. Sci. (4)、Energy Storage Mater.、Small(2)、 JMCA(6)等期刊上发表SCI论文90余篇，H因子32。

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/look