河南大学|肖助兵教授ACS NANO：内嵌晶面自调控实现锂硫电池选择性催化转化- 大数跨境

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河南大学|肖助兵教授ACS NANO：内嵌晶面自调控实现锂硫电池选择性催化转化

科学材料站

2020-11-01

导读：该论文提出内嵌晶面自调控实现锂硫电池选择性催化转化。

文章信息

内嵌晶面自调控实现锂硫电池选择性催化转化：面上高体积能量密度锂硫电池

第一作者：吴天利，齐静

通讯作者：肖助兵*

单位：河南大学

研究背景

利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675 mAh g-1和2600 Wh kg-1，但主要由于硫的绝缘特性和长链多硫化锂的梭形效应，导致其低硫利用率和循环寿命较差，阻碍了其商业化发展。

此外，如何在提升锂硫电池面积容量的同时，又能提升其体积容量，是目前锂硫电池亟需解决的一大难题。

文章简介

近日，河南大学光伏材料省重点实验室肖助兵教授课题组在《ACS Nano》（影响因子14.588）上发表题为“Selective S/Li2S Conversion via in-Built Crystal Facet Self-Mediation: Towards High Volumetric Energy Density Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。

该论文提出内嵌晶面自调控实现锂硫电池选择性催化转化。

图1. （a）蓬松和密实锂硫电池正极示意图。（b）载硫材料密度与电极体积容量关系图。ZrB2的（c）晶体结构图，（d）态密度/能带结构图和（e）电荷局域函数等高图。（f）ZrB2在充放电过程中呈现选择性催化转化示意图。

本文要点

要点一：合适的载硫材料密度对提升锂硫电池体积容量非常关键

作者通过合理的建模计算发现，极片厚度与载硫材料的密度呈准一次倒函数关系，即当控制在电极面载硫量一定时，电极厚度随载硫材料密度增大而减少。相应的正极端的体积容量与载硫材料密度随类似关系（图2）。

也就是说，合适的提升载硫材料密度有助于提升锂硫电池体积容量。通过进一步求导发现，当载硫材料（实际）密度为3-7 g cm-3之间时，存在最优提升区域。基于此，作者设计合成了振实密度为4.2 g cm-3的石墨烯状高导电二硼化锆（ZrB2），实现高体积容量硫正极的构筑。

图2. 当硫面载量从0.5 mg cm-2提升至8 mg cm-2时，（a）不包含和（b）包含铝箔电极厚度随载硫材料密度变化曲线图。当硫利用率从50%到100%时，（c）不包含和（d）包含铝箔厚度的电极体积容量随载硫材料密度变化曲线图。该模拟计算中，浆料配比方案按照载硫材料/硫：导电添加剂：粘结剂比例为8：1：1。其中载硫材料与硫的比值为1：3（硫含量为75 wt%）。硫、导电添加剂和粘结剂的密度分别为2.07 g 、1.0 g 和1.76 g cm-3。

要点二：二硼化锆（ZrB2）暴露的B和Zr原子具有选择性催化锂硫电化学

作者结合一系列光谱学分析和理论计算发现，ZrB2在同一晶面上暴露的B和Zr原子具有选择性的催化硫正极充放电过程中各物种的转化速度，证实了锂硫电化学在局部暴露的B和Zr位点具有内在的双晶面自调节行为，其中带负电荷的B主要调节锂硫电池放电过程，而带正电荷的Zr原子主要调节锂硫电池充电过程（图1f），即使在高电流密度和高硫负荷下也能获得高的硫利用率。

不同于以往通过非特异性行为诱捕多硫化物策略，这种选择性催化锂硫电化学的特性更为有效。合成的ZrB2-S电极提供了533 Wh L-1的高电池级体积能量密度。

文章链接

Selective S/Li2S Conversion via in-Built Crystal Facet Self-Mediation: Towards High Volumetric Energy Density Lithium-Sulfur Batteries

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c04933

通讯作者介绍

肖助兵，理学博士，教授

2019年破格晋升为教授，河南大学“特区支持计划”第四层次特聘教授，光伏材料省重点实验室高密度能量存储器件课题组长。长期从事锂/钾-硫电池的正负极改性研究。到目前为止，以第一作者和通讯作者身份在Adv. Mater（1）、Adv. Energy Mater（2）、Adv. Funct. Mater（1）、ACS Nano（4）、Nano Energy（1）、Energy Storage Mater（1）等学术刊物上发表论文15篇，其中影响因子大于10论文12篇，高被引论文3篇，论文它引近1000次。

第一作者介绍

吴天利，博士，河南大学校聘副教授

2018年获重庆大学博士学位，同年加入河南大学，研究方向为新能源纳米功能材料的制备及其电化学能源转化与存储。近年来，以第一作者或通信作者在J. Mater. Chem. A, J. Power Sources, Phys. Chem. Chem. Phys., Appl. Surf. Sci.等国际期刊上发表研究论文10篇，论文它引500余次。申请国家发明专利2项。

齐静，河南大学在读硕士研究生，导师为肖助兵教授，研究方向为钾离子电池以及碱金属硫电池。

课题组招聘

本课题组招聘讲师1名，要求材料物理化学相关理学博士（已毕业2年以内或者即将毕业），碱金属二次电池和碱金属硫电池方向。发表二区论文4篇以上，其中有显示度论文2篇。待遇：省直事业编制，一次性安家费15万，根据个人业绩年薪10-30万。有意者将个人简历发送至zbxiao@vip.henu.edu.cn。