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  • 大连理工大学膜科学与技术团队非对称膜电极材料用于高性能锂电池储能取得新进展

锂硫电池由于具有理论容量高(1675 mA h g-1)、能量密度大(2600 Wh kg-1)、硫资源丰富等特点,被广泛地认为是未来大规模储能领域应用发展的方向。其正极材料的孔结构设计对于提高电解液渗透速率和载量硫、抑制多硫化物(LiPS)穿梭效应、实现具有高能量密度的Li-S电池的实际应用至关重要。

近日,大连理工大学膜科学与技术团队贺高红教授、李祥村副教授提出相转化法可放大制备具有柔性的三层结构多孔C/SiO2膜。作为一种多功能且无金属集流体的正极,C/SiO2膜的分级大孔可以作为理想的硫载体,以减轻硫的体积膨胀效应。此外,互连的导电网络可以加快电子传输,提高反应动力学。嵌入的极性纳米SiO2颗粒对LiPS具有很强的化学吸附能力,有效地消除了穿梭效应。C/SiO2膜正极中的硫含量可达2.8mg cm-2,面容量达1.6mAh cm-2(ACS Nano,2019, 135, 5900),拓展制备不同功能颗粒改性的复合膜材料,提高LiPS的化学吸附能力,抑制穿梭效应,提高电池循环稳定性(Chem. Eng. J., 2019.122858)。

图1. (a)相转化法制备具有有序多孔结构的一体化膜电极材料,(b, c)膜电极材料具有高载硫性能(> 3 mg cm-2), (d, e)载硫膜电极可以直接用作锂硫电池正极,和传统方法相比,节省了Al箔、导电碳粉末、粘结剂,从而有效提高了电池的能量密度,(f)电极膜孔的有序通道极大提高了离子在膜电极内的传递速率。

进一步在相转化过程中加入Fe3+,加速溶剂\非溶剂相分离,诱导膜孔的有序化排列,提高离子在电极膜内的传递速率(Chem. Eng. J., 2019, 368, 310),提高锂硫电池的倍率性能和循环稳定性,研究结果以封面形式发表(J. Mater. Chem. A,2019,7, 20614)。

图2.膜孔有序化排列,提高离子在电极膜内的传递速率,提高锂硫电池的倍率性能和循环稳定性(两个纽扣电池串联,点亮> 40 LED灯,> 2h)

为提高膜电极内电池内动力学反应速率,在多孔空心碳球的限域反应器中合成Pt@Ni核壳材料,双金属不仅通过降低反应能垒,加速电子转移从而促进硫化锂分解转化,还增强了对多硫化物的亲和吸附作用,实现了具有高容量和循环稳定性的锂硫电池。同时该研究还深入探究了双金属在锂硫电池中的协同机理,并提供了相关的证明,为今后电催化在锂硫电池中的应用发展提供了借鉴,内容以内封面的形式发表(Small2019, 15, 1902431)。以上研究被邀请撰写关于电极材料制备及储能领域的综述性论文(Small2019, 15, 1804737)。

图3.铂镍合金催化剂吸附性能及催化机理分析。(a)铂镍合金催化剂与多硫化物相互作用的DFT分子模拟;(b)基于DFT计算的催化剂与多硫化物间吸附能;(c)铂镍合金催化硫化锂分解的机理示意图;(d)基于分子前线轨道理论计算纯金属铂、镍及铂镍合金与反应物的HOMO-LUMO反应能垒差;(e)硫化锂在铂镍合金催化剂上的分解能垒。(通讯员:李祥村 杜佳)

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