苏州大学孙靖宇/杨瑞枝EnSM: 3D打印多功能框架助力高负载无枝晶锂硫电池- 大数跨境

首页

苏州大学孙靖宇/杨瑞枝EnSM: 3D打印多功能框架助力高负载无枝晶锂硫电池

科学材料站

2021-06-18

导读：该论文提出使用3D打印N-Ti3C2框架用于电池正负极的同时管理，实现了高负载、无枝晶的高性能锂硫电池。

文章信息

Concurrent realization of dendrite-free anode and high-loading cathode via 3D printed N-Ti3C2 MXene framework toward advanced Li–S full batteries

第一作者：魏超慧，田萌

通讯作者：孙靖宇*，杨瑞枝*

单位：苏州大学能源学院

研究背景

锂硫电池因其理论容量高，硫来源广泛，价格低廉等优势在储能领域广受关注，然而其实用化进程面临诸多瓶颈。在硫正极一侧，现今亟需解决的问题有：硫电导率低、穿梭效应、硫负载低等；在锂负极一侧，不可控的枝晶生长，SEI的持续性破裂，体积膨胀，和电池短路造成的安全隐患等挑战仍悬而未解。因此，探索可同时管理正负极的通用策略具有重要意义。

针对如上诉求，研究者主要从材料创新和技术革新两个方面来力争突破。对于正极侧，学者们尝试将高导电极性材料用作锂硫电池宿主，但是如果仍采用主流涂覆法来制备电极，将难以实现性能优异的高负载锂硫电池。

3D打印，作为一项革新技术，可以快速制备多孔的自支撑电极，具有高度可调、易于规模化和高效等优点。在负极侧，采用负载大量亲锂位点的3D框架是解决枝晶生长和体积膨胀等棘手问题的有效手段。

综上所述，本工作设计了一种3D打印的多功能框架可同时有效管理正负极，实现高负载、无枝晶、长续航的锂硫电池，对于后续研究提供了可行性思路。

文章简介

近日，苏州大学能源学院的孙靖宇教授和杨瑞枝教授合作，在Energy Storage Materials上发表题为“Concurrent Realization of Dendrite-Free Anode and High-Loading Cathode via 3D Printed N-Ti3C2 MXene Framework toward Advanced Li–S Full Batteries”的研究论文。

该论文提出使用3D打印N-Ti3C2框架用于电池正负极的同时管理，实现了高负载、无枝晶的高性能锂硫电池。

图1. 图片摘要。

本文要点

要点一：3D打印多孔框架实现高负载硫正极

MXene材料因其优异的导电性、可调的结构、丰富的表面官能团等特质而倍受关注，但是MXene片层容易堆叠。

本文对MXene进行理性设计，使用三聚氰胺小球为模板，快速制备氮掺杂多孔MXene，进一步提高导电性且有效预防团聚。同时针对传统涂覆法的局限，采用3D打印技术获得负载可调、多孔、自支撑的硫正极。3D打印的电极框架可以加速反应过程中的电荷传输、缓解充放电过程中的体积膨胀、稳定提升高硫负载下的电池性能。

要点二：3D打印多孔框架抑制枝晶生长和缓冲体积膨胀

目前主流的锂负极保护策略包括：保护性夹层、SEI工程、电解液优化、固态电解质、3D框架等。其中，多孔亲锂的3D框架可有效分布局部电流密度且诱导锂均匀沉积，被广泛采用。

基于实用和经济性考虑，本工作采用3D打印的N-Ti3C2框架作为保护性夹层，其可以容纳大量锂，有效消散局部电流，避免枝晶生长；同时氮掺杂赋予打印框架优异的亲锂性，可以诱导锂离子的均匀沉积。

要点三：二合一策略管理锂硫电池

针对锂硫电池正负极存在的诸多问题，目前的研究多集中于硫正极的研究上，然而对于高负载工况下容量的充分发挥和长循环下的枝晶生长束手无策。

基于此，本文研发了一种双亲性的3D打印框架，可调控多硫转化并抑制枝晶形成。3D打印技术具有高度可调、灵活、易于规模化等优点，可快速制备多种结构，十分符合商业化需求。

文章链接

Concurrent Realization of Dendrite-Free Anode and High-Loading Cathode via 3D Printed N-Ti3C2 MXene Framework toward Advanced Li–S Full Batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.030

通讯作者介绍

孙靖宇，苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师。

九三学社社员，国家四青人才，江苏省双创人才。江苏省先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室主任。苏州大学—北京石墨烯研究院产学研协同创新中心主任。国家重点研发计划子课题主持人。<科学通报>期刊编委；J. Energy Chem.期刊编委；InfoMat期刊青年编委。2008年本科毕业于浙江大学，2013年于英国牛津大学获博士学位。2013-2015年、2015-2017年分别在北京大学和英国剑桥大学开展博士后研究工作。2017年2月入职苏州大学，2018年受聘北京石墨烯研究院研究员、课题组长。主要从事石墨烯的化学气相沉积直接制备、烯碳基能源材料及打印器件研究。在材料科学领域的学术期刊上发表科研论文逾140篇，总引用6700余次。参与撰写学术专著《石墨烯的化学气相沉积方法》1部。在石墨烯材料能源领域相关学术会议上做邀请报告20余次。

杨瑞枝，苏州大学能源学院特聘教授，博士生导师。

2005年于中国科学院物理研究所获理学博士学位；2005.9—2008.5，于加拿大达尔豪斯大学 (Dalhousie University) 作博士后研究；2008.6—2011.6，在美国斯坦福大学任职Research Associate；2011年6月至现在，于苏州大学任职教授。研究方向为：新型储能材料和器件的基础和应用研究。在相关研究领域发表SCI文章60余篇，论文引用5000余次，个人h-index为43。申请10多项中国专利和1项国际专利。主持国家科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金、江苏省高校自然科学研究重大项目、江苏省自然科学基金等科研项目。现任中国硅酸盐学会固态离子学理事会理事、国际电化学能源科学院 (IAOEES）的Board committee member。荣获2008年度加拿大青年科学家Ulm电化学论坛奖和2013年度“中国电化学青年奖”。

第一作者介绍

魏超慧，苏州大学能源学院博士后研究员。

2014年于西安交通大学获得学士学位; 2019年于英国诺丁汉大学获得博士学位，博士导师为Prof. George Zheng Chen, Prof. Michael George; 同年加入苏州大学能源学院从事博士后研究工作，合作导师为杨瑞枝教授和孙靖宇教授。研究方向为：MXene基材料的可控制备及其在锂硫、锂空电池、超级电容器等电化学领域的应用。在相关领域累计发表SCI文章23篇，包括ACS Nano, Energy storage Materials, Advanced Sustainable Systems, Carbon，Energy & Environmental Materials等；申请两项发明专利。

课题组介绍

http://sunjingyulab.com

课题组招聘

常年招收有志于从事可穿戴能源材料及打印器件、石墨烯可控制备研究的博士后、博士研究生和硕士研究生。