周恒輝與耶魯大學王海梁合作在長壽命鋰硫電池方面取得重要進展
時間：2021-04-06 16:23:03學院：化學與分子工程學院學校：北京大學
鋰/硫電池理論容量高（1673 mAh/g），約為傳統(tǒng)鋰離子電池容量的8倍，同時其活性材料硫儲量豐富，是最具發(fā)展?jié)摿Φ母吣芑瘜W電源體系，有望解決新能源汽車的“里程焦慮”難題。目前，鋰/硫電池面臨的一個較大的問題就是在充放電過程中，產(chǎn)生的可溶性多硫化物，在正負極之間的穿梭效應。這種多硫化物的穿梭效應會導致電池庫倫效率的降低、活性材料的損失以及容量的迅速衰減。
北京大學化學與分子工程學院周恒輝課題組與耶魯大學化學院Hailiang Wang課題組合作，致力于解決鋰/硫電池中多硫化物的穿梭效應的問題，取得了一系列重要進展。極性材料在固硫方面表現(xiàn)出較好的效果，但是其固硫機理難以確定，他們提出了采用金屬有機小分子二茂鐵作為固硫材料（圖1），實現(xiàn)了鋰/硫電池長達550次的平穩(wěn)循環(huán)，并結合XPS分析與DFT計算，證明了二茂鐵的固硫機理為茂環(huán)與鋰的作用（Angew. Chem., 2016, 128, 15038. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201609147/full ）。電池的性能不僅與固硫材料對多硫化物的親和力有關，固硫材料的本體導電性也非常重要。因此，他們提出采用半金屬導體金屬磷化物與碳納米管的復合物作為硫正極中的添加劑，提高硫正極的導電性、緩解多硫化物的穿梭效應并促進多硫化物的氧化還原動力學，實現(xiàn)了鋰/硫電池長達1100次的長循環(huán)（Nano Research, 2017, accepted）。
圖1. 二茂鐵與石墨烯的復合物的結構（上左）、DFT計算結果（上右）以及鋰/硫電池循環(huán)性能（下）。
??? 最近，他們發(fā)展了一種超薄氧化石墨烯與與聚酰胺-胺型樹枝狀高分子的復合膜，用于硫正極的保護，有效提高了鋰/硫電池的長循環(huán)穩(wěn)定性（圖2）。該保護膜是將氧化石墨烯與高分子材料相融合制成凝膠狀材料，涂抹在硫正極表面，形成100 nm左右的薄膜，并且由于該薄膜輕薄的特質，其對電池的能量密度幾乎沒有任何影響。更重要的是，這種復合薄膜幾乎可以與任何硫正極相融，達到保護硫正極的效果，例如二茂鐵與多孔碳的復合物作為基底材料的硫正極（J. Mater. Chem. A, 2017, accepted）。部分工作于2017年3月20日在線發(fā)表于PNAS上（DOI:10.1073/pnas.1620809114, URL: http://www.pnas.org/content/early/2017/03/14/1620809114.full?sid=d1eee606-e64c-4366-9fad-88163fa4e84e ）。
圖2. 高分子材料的結構（上左）、DFT計算結果（上右）以及鋰/硫電池循環(huán)性能（下）。
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該系列工作均由2012級博士生米英英和劉文博士（周恒輝組2013年的畢業(yè)生，現(xiàn)為北京化工大學教授）等為共同一作。相關工作得到了北大先行科技產(chǎn)業(yè)有限公司、國家留學基金委、耶魯大學等相關項目的資助。
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