北理工《Chem》發表鋰硫電池動力學調控調控策略相關研究成果


  近日,Cell出版社化學旗艦雜誌《Chem》(影響因子19.7)報道了北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在鋰硫電池動力學調控方面的研究新進展,相關研究成果以“An Organopolysulfide Comediator for Accelerating Sulfur Redox Kinetics in Lithium–Sulfur Batteries”為題在線發表。該工作第一作者為北京理工大學博士研究生趙夢,通訊作者為北京理工大學黃佳琦教授。

圖1. Li–S電池的反應路徑示意圖。(a)常規Li–S電池中的多硫化物介導的反應路徑和(b)氧化還原輔介體調控下的反應路徑示意圖。(c)氧化還原輔介體與多硫化鋰之間的化學反應式。

  鋰硫(Li–S)電池由於高達2600 Wh kg−1的理論能量密度引起了廣泛的關注。然而,由於硫正極複雜的多相和多電子氧化還原反應導致其反應動力學緩慢,Li–S電池的實際性能受到嚴重限制。通常,硫正極的電化學反應受到作為內源性氧化還原介體(RM)的可溶性多硫化鋰調控,多硫化鋰通過化學歧化/歸中反應過程影響最終的放電/充電產物的沉積/溶解過程和反應速率,進而影響電池的容量和倍率性能。然而,多硫化鋰自身的氧化還原介導能力不足,且隨電池充放電狀態而發生物種和濃度的變化,無法及時有效地介導整個電化學反應過程,導致電池容量的損失和倍率性能的限制(圖1A)。因此,迫切需要開發新的策略和方法來提升內源性多硫化鋰的氧化還原介導能力,以實現高比能量Li–S電池的穩定循環。

  受到輔酶在生物系統中的作用機制的啓發,該團隊提出了一種氧化還原輔介體調控策略來提高Li–S電池的正極氧化還原動力學。與輔酶作用於相應的酶來促進其催化活性的機制類似,氧化還原輔介體(coRM)通過化學反應調控內源性多硫化鋰氧化還原介體,賦予其更高的氧化還原介導能力(圖1B)。二叔丁基二硫醚(DtbDS)作為coRM被引入鋰硫電池體系進行概念驗證。其中, DtbDS自發地與多硫化鋰反應,通過圖1C所示的反應生成叔丁基多硫化鋰(LitbPS)物種。LitbPSs作為活性RM具有比原始多硫化鋰RM更優異的氧化還原介導能力,從而顯著改善了硫的氧化還原動力學。此外,DtbDS輔介體的引入通過調控化學歧化/分解路徑將Li2S的沉積方式從二維轉變為三維。

  氧化還原輔介體策略提升內源性多硫化鋰介體調控硫正極的氧化還原動力學,可以顯著提高電池充放電容量和倍率性能。使用DtbDS輔介體的Li–S電池在4C下可以提供566mAh g−1的放電比容量,並且在5mg cm−2的高硫負載和5μL mg−1的貧電解液條件下表現出穩定循環能力。該團隊還組裝了1.5Ah級別的DtbDS輔助介導的Li–S軟包電池,並且實現了300Wh kg−1的實際能量密度和40圈的穩定循環。該工作展示了一種能夠顯著促進高性能Li–S電池氧化還原動力學的氧化還原輔助介導策略,啓發了以DtbDS為代表的更多的應用於能源系統的氧化還原輔介體的開發。

  論文詳情:Meng Zhao, Bo-Quan Li, Xiang Chen, Jin Xie, Hong Yuan, Jia-Qi Huang*. Redox comediation with organopolysulfides in working lithium-sulfur batteries, Chem 2020, 10.1016/j.chempr.2020.09.015.

  論文鏈接://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(20)30479-4

  教師主頁://arims.bit.edu.cn/xzdw/gjjrc/wrjhzjgjjq/153138.htm

  

附作者簡介:

  黃佳琦,北京理工大學前沿交叉科學研究院教授,博士生導師,九三學社社員。主要開展能源界面化學研究。在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Sci. Bull. 等期刊發表研究工作100餘篇,h因子為75,其中40餘篇為ESI高被引論文。入選首屆中國科協青年人才託舉計劃,獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎,中國顆粒學會青年顆粒學獎,國家萬人計劃青年拔尖人才,2018、2019年科睿唯安高被引科學家等。

  

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