哥伦比亚大学陈曦教授团队Nano Lett. 池：贫电解质超稳定锂硫电池单原子催化材料- 大数跨境

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哥伦比亚大学陈曦教授团队Nano Lett. 池：贫电解质超稳定锂硫电池单原子催化材料

科学材料站

2020-07-07

导读：在本文，单原子材料被设计用于加速锂硫电池的多硫化物转化。结构中的氮位不仅可以锚定多硫化物以减轻穿梭效应，而且可以使单原子铁的高负载。密度泛函理论计算表明，单原子位置降低了电化学反应的势垒，从而提高了

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导读

高能量容量的锂硫电池是先进储能的理想选择。但由于可溶多硫化物的穿梭和转化动力学缓慢，速率性能差，循环寿命短，阻碍了其应用。

基于以上现状，美国哥伦比亚大学的陈曦教授国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Single-atom catalytic materials for lean-electrolyte ultrastable lithium-sulfur batteries”的论文。Chao Lu为本文第一作者。

图1. 图片概要

在本文，单原子材料被设计用于加速锂硫电池的多硫化物转化。结构中的氮位不仅可以锚定多硫化物以减轻穿梭效应，而且可以使单原子铁的高负载。密度泛函理论计算表明，单原子位置降低了电化学反应的势垒，从而提高了电池的倍率和循环性能。硬币电池具有良好的储能性能，0.1℃时可逆容量为1379mah g-1，5℃时为704mahg-1，电解液用量与能量密度之比低达5.5g Ah-1。即使在0.2℃下循环200次，它仍表现出优异的循环性能，容量保持率达90%。

背景简介

1.锂硫电池目前的挑战

锂硫电池（Li-S）具有1675mah g-1的理论能量容量和丰富的硫元素在地球上的储存能力，被认为是先进储能系统的理想选择。锂和硫化学能够运用多电子电化学过程来提供更高的能量比基于插入式材料的商用锂离子电池的能量密度。然而，锂-硫电池的商业化受到一些科学挑战的阻碍，这些挑战主要是由电池化学中缓慢的电化学转化动力学和多硫化物穿梭效应造成的，缓慢的转化动力学会降低电池的可逆比容量和倍率性能，使其无法实现快速充放电功能。另一方面，由于聚硫在乙醚溶剂中的去溶剂化，导致锂硫电池中的聚硫穿梭效应，严重地导致硫物质的损失此外，由于硫的质量负荷较低，在实际装置中无法充分体现锂硫电池的高理论能量密度，由于硫的绝缘性和硫在正极支撑材料中的团聚倾向，使得硫的质量负荷有限。为了为锂硫电池的实际应用铺平道路，一种高硫负荷的高活性正极材料是转化化学中必须解决的问题。

2. 单原子材料在锂硫电池的应用

与传统的催化材料相比，单原子材料具有活性中心高、电子环境可调、化学稳定性好、可逆性好等优点，近年来在电催化过程中引起了极大的关注。单原子材料的几个例子对于金属空气电池和燃料电池，在过去几年中已证明其性能得到了提高，单原子材料被认为是加速锂硫电池电化学转化动力学的候选材料，因为具有不饱和金属配位的单个催化位点被认为有助于电池中的电子转移和氧化还原反应。但是，由于单原子易在较高的重量百分比下聚集，因此宿主中单原子位点的重量百分比保持在相对较低的水平（小于3%wt），通过增强单原子间的配位相互作用，寻找高极性的支撑材料，可以实现单原子的高质量负载。因此，开发具有高催化活性的高负载单原子正极材料是促进多硫化物转化化学的有效策略，适用于高能量密度、高倍率锂硫电池的实际应用。

核心内容

在这项工作中，一种高负载的单原子材料((SAFe@g-C3N4)为提高锂离子电池的电化学转化动力学，提出了具有优异催化活性的催化剂。由于g-C3N4结构中含有大量的氮位，配位性强，因此选择g-C3N4作为单原子负载的载体。这种配位效应使得单原子的高负载成为可能，作者在SAFe@g-C3N4材料。此外，g-C3N4材料还有效地抑制了多硫化物在电池中的穿梭效应，降低了充放电过程中的硫损失，并通过紫外-可见光谱分析进行了实验验证。密度泛函理论计算用于验证SAFe@g-C3N4在电池转化动力学中，由于单原子催化作用，聚硫转化的势垒明显降低。此外，将Li2S8正极电解质分散到正极上，使正极中的硫含量高达2.3mg cm-2 SAFe@g-C3N4材料。由于硫在g-C3N4上的高吸附性和单原子的快速电化学转化动力学，实现了正极的高硫负载。因此SAFe@g-C3N4在0.1c电流下，锂硫纽扣电池的可逆比容量为1379mah g-1，接近理论容量。它在宽电流密度下表现出良好的倍率性能，在5℃下仍能提供704mah g-1的高比容量。值得一提的是，该装置在0.2℃的电流下循环200次后仍能保持90%的容量，具有优异的循环稳定性，而具有原始g-C3N4和b-Fe@g- C3N4恶化在同样的情况下严重。所获得的循环性能与以往基于各种正极材料的研究中的最佳报告相当。电解液用量与能量密度之比低达5.5g Ah-1，对高能密度锂硫电池的实际应用具有重要意义。本研究突出了高硫负载高催化单原子材料在高能量密度锂硫电池实际应用中的巨大潜力。

图二.

Chemical structure analysis of SAFe@g-C3N4 material. a) XRD patterns of g-C3N4 and SAFe@g-C3N4 materials. b) Fe K-edge XANES spectras of Fe foil and SAFe@g-C3N4 material. c) Fourier transformed curves of the Fe K-edge EXAFS spectra of Fe foil and SAFe@g-C3N4 material. d) Deconvoluted N1s XPS spectra of SAFe@g-C3N4 material. e) N2 adsorption/desorption isotherm of SAFe@g-C3N4 material. Inset shows pore size distribution. f) TGA curve of SAFe@g-C3N4 material under air atmosphere. Single iron atom mass loading achieves at 8.50%wt in the material.

文章链接:

Single-atom catalytic materials for leanelectrolyte ultrastable lithium-sulfur batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02167

导师简介:

陈曦教授

1994年本科毕业于西安交通大学少年班，1997年硕士毕业于清华大学。2001年于哈佛大学获固体力学专业博士学位。现任哥伦比亚大学终身教授，是“地球工程中心”和“先进能源和环境材料中心”两个中心的主任。曾获美国青年科学家总统奖(PECASE)、NSF事业奖、力学界青年学者三大奖等荣誉。曾任ASME材料学部主席。他是国际材料和力学界新一代领军人物之一，也是全碳循环（二氧化碳捕集和利用）的先驱者之一。已经发表300多篇SCI期刊论文，H因子56。现兼任力学研究通讯（Mechanics Research Communications）和纳米微米力学杂志（Journal of Nanomechanics and Micromechanics）副主编，为Science，Nature，PNAS，PRL，JACS等100多个学术期刊审稿。并任美国机械工程师协会（ASME）下多功能材料和纳米能源材料两个专业委员会主席，以及材料学部（Materials Division）执行委员。他在国际会议和国际知名大学做学术报告和邀请报告100多次，组织和参与组织国际会议20余次，担任分会场主席40余次。