王健/肖清波/蔺洪振 CEJ ：魅力“缺陷”催化剂促进“完美”锂硫电池的动力学性能- 大数跨境

首页

王健/肖清波/蔺洪振 CEJ ：魅力“缺陷”催化剂促进“完美”锂硫电池的动力学性能

科学材料站

2020-12-23

导读：该文章结合理论计算与实验，分析了阴离子氧空位催化剂在高面积载量的锂硫软包电池中对多硫离子锚定作用及加速锂离子传导作用，提出了阴离子氧空位催化剂助力快速充电电池概念。

文章信息

第一作者：程双，王健

通讯作者：王健*，肖清波*，蔺洪振*

通讯单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏省农业科学院

研究背景

可充电的锂硫电池因其高的理论容量高和能量密度（1675 mA h g-1和2600 Wh kg-1），低成本以及低能耗而被视为下一代储能系统。但是，一些挑战性的问题包括硫/硫化锂的差的电子/离子电导率，由中间多硫化物的高溶解度引起的严重穿梭效应以及多硫化物缓慢的转化动力学阻碍了锂硫电池在现实生活中的应用与发展。

更糟糕的是，这些问题在高载量及高倍率下变得更加复杂。

在前期的硫正极研究中，我们从纳米材料结构设计与表面功能化出发（J. Power Sources, 2016, 321, 193；Nano Energy, 2017, 40, 390），制备了不同的活性纳米催化剂复合材料（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12727；Energy Storage Mater., 2020, 28, 375；ChemSusChem, 2020, 13, 3404），并选用原位光谱手段研究了其相关作用机制（Energy Storage Mater. 2019, 18, 246；Energy Environment. Mater. 2020, DOI: 10.1002/eem2.12152）。

为了解决锂硫电池中存在的问题，我们在前期氧空位催化剂的研究基础之上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12727），进一步研究发现锂离子的传输动力学对电池的倍率性能影响很大，特别是在高面积载量的锂硫软包电池体系中。基于此，设计一种快速锂离子导体的催化剂，并且研究其作用机制，对提升电池的倍率性能势在必行。

文章简介

近期，中科院苏州纳米所王健博士、蔺洪振研究员联合江苏省农业科学院肖清波博士，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上针对滞后的多硫化锂转化与锂离子传输动力学问题，发表题为“Anionic oxygen vacancies in Nb2O5-x/carbon hybrid host endow rapid catalytic behaviors for high-performance high areal loading lithium sulfur pouch cell”的文章。

该文章结合理论计算与实验，分析了阴离子氧空位催化剂在高面积载量的锂硫软包电池中对多硫离子锚定作用及加速锂离子传导作用，提出了阴离子氧空位催化剂助力快速充电电池概念。

图1. 富含阴离子氧空位的AOV-Nb2O5-x@HHPC催化剂的工作机理及锂硫软包电池的循环性能

本文要点

要点一：富含阴离子氧空位催化剂AOV-Nb2O5-x@HHPC的合成与表征

通过简单水热及后续热处理成功合成了富含阴离子氧空位催化剂AOV-Nb2O5-x@HHPC，如图2所示。通过水热法合成Nb2O5@HHPC前驱体，将冷冻干燥的复合材料在Ar气氛下于600 °C退火2 h，得到Nb2O5@HHPC，进一步地在H2/Ar混合气氛下于400 °C煅烧1 h，获得了AOV-Nb2O5-x@ HHPC复合材料。

电子显微镜发现制备的纳米粒子的尺寸非常小且均匀分布在纳米碳材料的的网络中。结合了XPS与Raman光谱，证实了更多的氧空位存在于AOV-Nb2O5-x@HHPC复合材料中。

图 2. Nb2O5@HHPC和Nb2O5-x@HHPC的结构与形貌表征。

图3 Nb2O5@HHPC和AOV-Nb2O5-x@HHPC的XPS和拉曼光谱比较。

要点二：AOV-Nb2O5-x@HHPC电催化性能的表征

将等量的Nb2O5@HHPC和AOV-Nb2O5-x@HHPC纳米复合材料加入到一定浓度的多硫化物溶液中，静置吸附催化后，检测上层多硫化锂的浓度。

理论模拟也显示了多硫化物在缺陷基催化剂表面的作用力显著增强，并且形成了Nb-S键。对称电池的循环伏安性能，硫化锂的沉积能力及Tafel曲线测试都显示了缺陷基催化剂能够提高多硫化物的转换速率，提高锂离子的动力学性能。

图4 基于Nb2O5@HHPC和AOV-Nb2O5-x@HHPC对Li2S6物理吸附光学图片及理论模拟结果。

图5 基于两种碳骨架材料Nb2O5@HHPC和AOV-Nb2O5-x@HHPC对称电池及Nb2O5@HHPC@S和AOV-Nb2O5-x@HHPC@S的锂硫电池的电化学性能表征。

要点三：阴离子氧空位催化剂在锂硫电池中的性能测试

基于AOV-Nb2O5-x@HHP@S的锂硫电池，在0.1 C倍率下，初始容量高达1489 mA h g-1。将电池的充放电倍率提高至5C时，该电池依旧能保持良好的充电/放电电压平台与较高的容量特性，揭示了在反应过程中快速的多硫离子转化和锂离子动力学交换能力。

即使将硫正极的面积载量增加至4.2 mg cm-2，添加少量的电解液，制备的软包电池初始面容量可高达3.54 mA h cm-2并可以稳定循环数十次，这表明了阴离子氧化缺陷催化剂在锂硫电池中的具有巨大应用前景。

图6 基于Nb2O5@HHPC@S和AOV-Nb2O5-x@HHPC@S的锂硫电池的电化学测试。

文章链接

Shuang Cheng, Jian Wang*, Shaorong Duan, Jing Zhang, Qi Wang, Yue Zhang, Linge Li, Haitao Liu, Qingbo Xiao*, Hongzhen Lin* Anionic oxygen vacancies in Nb2O5-x/carbon hybrid host endow rapid catalytic behaviors for high-performance high areal loading lithium sulfur pouch cell. Chemical Engineering Journal 2020, 128172.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128172

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720342881

通讯作者介绍

王健博士，

2019年毕业于中国科学技术大学，获得德国洪堡基金（Alexander von Humboldt Foundation）资助，研究方向为高性能锂金属电池电极设计和制备及其相关机制的原位表征。到目前为止，已发表论文33余篇，其中第一/共一或通讯作者14篇（IF>10, 共7篇），申请了11项国家发明专利，授权3项。连续多次在国际会议作了相关研究进展口头报告。

E-mail: wangjian2014@sinano.ac.cn。

通讯作者介绍

肖清波博士江苏省农业科学院副研究员，院学科带头人。

2011年于中科院福建物质结构研究所获得博士学位，同年工作于中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，2019年加入江苏省农业科学院。研究方向为农业新能源材料开发及其环境治理应用、纳米材料表界面原位光谱表征等。目前，在J. Mater. Chem. A, Chem. Engi. J., Small, Adv. Funct. Mater. 等刊物发表SCI论文30余篇；申请发明专利10余项，授权4项；作为项目负责人承担国家自然科学基金面上项目，江苏省自然科学基金等研究课题7项。

蔺洪振研究员，

现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士生导师、课题组长。研究方向为原位界面和频振动光谱技术的开发与运用、高能量二次电池的电极设计与制备、石墨烯材料的相关运用。着重发展了原位和频振动光谱技术，搭建仪器设备和拓展其原位（工况）表征功能的相关光谱技术，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。在Nat. Commun. 、Angew.Chem. Int. Ed.、Nano Energy、J. Phys. Chem. Lett.、Small、ACS Nano、Nanoscale 等物理化学及纳米研究领域国际重要期刊上发表学术论文数十余篇。

第一作者介绍

程双，研究方向为高性能金属硫化物储能研究。迄今为止，已发表论文7篇。

课题组介绍

自组建课题组以来，着重发展了和频振动光谱技术，搭建仪器设备并拓展其原位（工况）表征功能的相关光谱技术，并在取得了一系列突破性进展，使这一界面分子光谱技术在纳米储能、有机电子、智能材料与器件等领域发挥了其他表征手段所不具有的独特优势，在分子水平厘清了一系列功能材料与器件中关键界面物理化学过程的微观机制。

课题组的主要研究方向：

1. 原位界面和频振动光谱技术的开发与运用

2. 高能量二次电池的电极设计与制备

3. 石墨烯材料的相关运用

课题组招聘

欢迎各位学生报考本课题组的硕士、博士！