福建物构所高能量密度锂硫电池研究取得进展【

日期:2019-11-08编辑作者:北京赛车官方正版投注

同期,课题组2019级博士生安永灵采用真空脱合金法从商业化的硅钙合金中成功制备出高纯的二维硅,通过改变反应条件来优化微观形貌,从而得到优异的储锂性能。将所制备的二维硅进一步与二维MXene结合,制备了自支撑的2D/2D结构用做锂金属电池的亲锂成核剂,得到较长循环寿命的电池。该研究成果以“Scalable and Physical Synthesis of 2D Silicon from Bulk Layered Alloy for Lithium-Ion Batteries and Lithium-Metal Batteries”为题在发表在ACS Nano上。

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由于正极材料硫具有高理论比容量、丰富的自然储备、低成本和环境友好等显著优点,锂硫电池被认为是最有前景的下一代能量存储系统。使用导电碳质材料作为硫主体来构造硫正极的传统方法中,由于低极性碳和高极性LiPS之间的相互作用弱,碳基材料提供的物理隔离和物理吸附对抑制电池容量衰减的作用有限,特别是对于高载硫电极。此外,碳基材料和LiPS的亲和性差也阻碍了有效的界面电荷转移并减缓了硫物种的反应动力学。而且,大量低振实密度碳的存在,极大地牺牲了电池的体积能量密度。设计一种具有高导电性和丰富暴露活性位点的硫主体材料以替代导电碳,以获得高的面积和体积容量具有重要意义。

近日,山东大学材料科学与工程学院冯金奎教授课题组在二维材料的制备及在锌金属电池、锂金属电池和锂离子电池的研究方面取得两项重要进展,相关研究成果均发表在专业国际顶级期刊ACSNano(IF=13.903)上。通讯作者为冯金奎教授,山东大学为第一完成单位。

金属硅和锂可以形成硅锂合金(Li4.4Si),其理论比容量可达4212 mAh/g,并且硅的储量丰富,来源广泛,是一种理想的锂离子电池负极材料。但是硅作为负极材料存在以下缺点:循环过程中的体积膨胀易使硅负极破碎,从而造成电极材料粉化脱落,导致电池性能衰减;SEI膜的连续生长会消耗电解液和锂盐,从而造成库伦效率低和循环稳定性差等问题。

在国家自然科学基金(21601191,21673241, 21471151))和中国科学院战略性先导科技专项(XDB20000000)、福建省自然基金(2018J01030)的资助下,中科院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室研究员王瑞虎课题组采用海藻酸钠诱导的化学键裁剪策略,提出基于MXene的Ti3C2Tx(Tx代表表面官能团)纳米点-散布的Ti3C2Tx纳米片,以实现在高硫负载条件下活性物质硫的限域固定和转化。TCD-TCS中丰富的表面极性位点增强了电极的结构完整性,不含碳基材料和导电添加剂使得正极材料具有高振实密度。TCD-TCS/ S电极在1.8mg cm-2的中等载硫量下表现出几乎理论的放电比容量。在13.8mg cm-2的高硫负载下,同步实现超高容量(1957mAh cm-3)和高面积容量(13.7mAh cm-2)。放电过程中硫析出机理研究表明了基于MXene的纳米点和纳米片的集成在Li-S电池中的重要性。上述工作发表于ACS NanoUltrafine Ti3C2 MXene Nanodots-Interspersed Nanosheet for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries, ACS Nano, 2019, 13, 3608–3617)。论文的第一作者为助理研究员肖助兵。

上述研究得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金国家重点项目、山东省泰山学者项目、山东省重点研发计划项目和山东大学青年学者未来计划项目等的支持。

解决上述问题最有效的方法是将硅多孔化。化学脱合金具有在室温下可操作、工艺简单、可大规模生产等优点,因此被用来制备多孔硅。但是在这一过程中会用到一些有污染性的物质。基于上述问题,冯金奎副教授课题组通过真空脱合金的方法来合成多孔硅,这种方法具有绿色、简单、可大规模生产等优点,多孔硅的孔隙率可以通过时间和温度来调控,同时副产物也可以回收利用,本方法制备的多孔硅锂离子电池负极材料展现出优异的电化学性能,基于该研究工作的专利申请已获受理。

福建物构所高能量密度锂硫电池研究取得进展

课题组2018级博士生田园在Ti3C2Tx MXene上电沉积锌制备了柔性自支撑的MXene@Zn电极,分别用作锌金属负极和锂金属负极的“host”,探究了在MXene@Zn电极上电沉积锌的生长机制;因为锌可与锂发生合金化反应,可被用作形核剂,使MXene@Zn具有较好的亲锂性,有效抑制了水系电解质中锌枝晶的生长。相关研究成果以“Flexible and Free-Standing Ti3C2Tx MXene@Zn Paper for Dendrite-Free Aqueous Zinc Metal Batteries and Nonaqueous Lithium Metal Batteries”为题发表在ACS Nano上。

近年来,冯金奎副教授课题组从事多孔材料及其在储能领域的应用研究,并取得了一定的成果。相关工作包括通过合成多孔铜作为金属锂负极集流体,有效抑制锂枝晶的生长,从而提高电池的安全性(Nano Energy, 2018, 47, 503-511)。上述研究得到山东大学化学院熊胜林教授等的帮助,并受到山东大学青年学者项目、山东省自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、泰山学者计划的支持。

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锂离子电池由于比能量高、自放电小、绿色环保、循环寿命长等优点,已经成为电动汽车最有前景的电源体系。目前锂离子常用的负极材料主要是石墨类材料,其理论容量只有372 mAh/g,这严重限制了锂电池性能的整体提高,所以开发新型的比能量高的负极材料尤为重要。

此前,肖助兵等以提高锂硫电池面积容量和体积容量为研究目标,采用未加入任何碳导电添加剂的花状多孔Ti3C2Tx基正极系统,实现了锂硫电池面积容量和体积容量的双重提高(福建物构所高能量密度锂硫电池研究取得进展【北京赛车官方正版投注】。福建物构所高能量密度锂硫电池研究取得进展【北京赛车官方正版投注】。ACS Nano福建物构所高能量密度锂硫电池研究取得进展【北京赛车官方正版投注】。, 2019, 13, 3404-3412)。此外,先后采用高导电过渡金属硫化物(TiS2和NbS2)作为添加剂应用在锂硫电池正极以提高电池面积容量和大电流放电容量(Energy Storage Mater. 2018, 12, 252-259;ACS Nano 2017, 11, 8488-8498;ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 18845-18855)。并采用水热法得到还原氧化石墨烯/硫化钒复合材料应用于三元硫正极体系中,制备得到具有密堆积三明治结构的rGO/VS2-S正极材料,实现了体积能量密度的大幅提升(Adv. Energy Mater. 2018, 7, 1702337)。

[本站讯]近日,山东大学材料科学与工程学院冯金奎副教授课题组在多孔硅的制备及其在锂离子电池的应用方面取得了最新进展,其研究成果“Green, Scalable, and Controllable Fabrication of Nanoporous Silicon from Commercial Alloy Precursors for High-Energy Lithium-Ion Batteries”发表在顶级期刊ACS Nano (IF = 13.942)上,文章第一作者为材料学院2016级硕士研究生安永灵,通讯作者为材料学院冯金奎副教授,山东大学为独立完成单位。

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关键词: 金属 电池 山东大学 课题

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