我所研發出單原子修飾的納米反應器并用于高性能鋰硫電池

  近日,我所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組(508組)吳忠帥研究員團隊與有機—無機雜化材料研究組(506組)楊啟華研究員團隊合作,發展了一種單原子鋅修飾的中空碳球納米反應器。該反應器可同時用作鋰硫電池正極、負極的基體,有效地提高了對多硫化物的催化活性并抑制了鋰負極枝晶的生長,應用該反應器的高比能鋰硫全電池具有高載量、高倍率、長循環的性質。

  鋰硫電池具有較高理論能量密度(2600Wh/kg)和比容量(1675mAh/g),被認為是最具潛力的下一代高能量密度的電化學儲能技術。但是由于正極多硫化物的穿梭效應、轉化動力學緩慢、負極的鋰枝晶生長等原因,導致鋰硫電池的容量較低、安全性能不高、循環穩定性差,這嚴重限制了其商業化發展。因此,設計一種輕質量、高導電、高催化活性、優異親鋰位點、高機械強度的載體材料,能夠同時抑制多硫化物穿梭和金屬鋰枝晶的鋰硫全電池,是目前突破鋰硫電池應用瓶頸的一種有效方法。

  該工作針對鋰硫電池存在的科學問題和關鍵技術瓶頸,充分結合了吳忠帥團隊在高性能鋰硫電池體系(Adv. Energy Mater.; J. Energy Chem.; ACS Nano; Nano Energy; ACS Nano; ACS Nano; Angew. Chem. Int. Ed.)和楊啟華團隊在高效納米反應器催化體系(Angew. Chem. Int. Ed.; ACS Sustainable Chem. Eng.; ACS Catal.; ACS Catal.; Catal. Sci. Technol.; Chem. Commun.; J. Mater. Chem. A; Chem. Commun.)的研究,發展了原子尺度的單原子鋅修飾的中空碳殼納米反應器。該反應器具有較高的比表面積、多級的孔結構、良好的親鋰金屬表面、優異的催化活性。將其同時應用于鋰硫電池的正極和負極,有效地提升了正極對多硫化物的吸附催化轉化能力,并顯著地抑制負極的鋰枝晶生長。此外,該電池在700圈長循環的條件下容量衰減率僅0.015%;在高電流密度的條件下,仍然具有989mAh/g的比容量。這種中空碳殼納米反應器的設計策略,為基于轉化反應的鋰硫電池等高能密度能源器件的設計提供參考。

  相關研究成果發表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上。上述工作得到國家重點研發計劃、中科院潔凈能源創新研究院等項目的資助。(文/圖 石浩東、任小敏)

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