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青島能源所開發(fā)出雙碳雙活性物質(zhì)的新型鋰-硫(硒)電池體系

2021-08-26 08:49  來源:青島生物能源與過程研究所  瀏覽:  


青島能源所開發(fā)出雙碳雙活性物質(zhì)的新型鋰-硫(硒)電池體系

近年來,隨著電動汽車的推廣和應(yīng)用,對電化學(xué)儲能器件提出了新的要求和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鋰離子電池受制于電極材料較低的理論容量,難以滿足高能量密度儲能系統(tǒng)的要求?;诙嚯娮愚D(zhuǎn)換反應(yīng)的鋰硫電池具有相對超高的比能量,且原料來源豐富、價格低廉、低毒無害,被認(rèn)為是頗具潛力的下一代高能量電池體系之一,也是當(dāng)前電化學(xué)儲能領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)和方向。

然而,鋰硫電池固有的自身缺陷阻礙了其持續(xù)的推廣及應(yīng)用:由于硫單質(zhì)及還原產(chǎn)物多硫化合物(Li2S/Li2S2)的導(dǎo)電率低,導(dǎo)致鋰硫電池中活性物質(zhì)利用率低,倍率性能差;在充放電過程中產(chǎn)生的可溶性多硫化合物,導(dǎo)致“穿梭效應(yīng)”出現(xiàn),降低了電池的循環(huán)壽命。因此,開發(fā)具有高導(dǎo)電性,且對“穿梭效應(yīng)”具有較強(qiáng)弱化能力的正極材料,是獲取高性能鋰硫電池的關(guān)鍵技術(shù)。

中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組研究員武建飛深耕鋰硫電池領(lǐng)域,針對鋰硫電池的本征缺陷提出了多種解決思路,并取得了一系列的創(chuàng)新性研究成果(Journal of Materials Chemistry A, 6 (2018), 23486-23494;Electrochimica Acta, 295 (2019), 684-692;ACS Applied Materials & Interfaces, 11 (2019), 15607-15615;Advanced Materials Interfaces, 2020, 2001698)。以往研究發(fā)現(xiàn),與硫同族的硒元素具有和硫類似的轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理,且鋰硒電池的“穿梭效應(yīng)”可以明顯得到抑制。而與鋰硫電池相比,鋰硒電池容量較低,無法滿足高比能電池的要求。針對這一問題,該研究組博士生楊澤文利用硫和硒的協(xié)同作用,彌補(bǔ)各自體系的“木桶短板”,設(shè)計(jì)開發(fā)了具有雙碳雙活性物質(zhì)的新型鋰-硫(硒)電池體系。該體系以殼聚糖基衍生碳為基底,三維纏繞碳納米管構(gòu)成雙碳的活性物質(zhì)載體,可有效提高三維碳載體骨架的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;通過煅燒方式負(fù)載硫-硒復(fù)合物作為活性材料,獲得具有高容量、高循環(huán)穩(wěn)定性能的鋰硫(硒)電池正極材料。研究表明,在0.5 C(1 C=1340 mA·g-1)電流密度下,電池經(jīng)過500次循環(huán)后仍保持833.2 mAh·g-1的高比容量。此外,該工作還利用簡便有效的測試手段,探討此電池體系的充放電機(jī)理,得出了硫-硒復(fù)合物作為活性物質(zhì)的反應(yīng)機(jī)理為鋰硫和鋰硒電池基本反應(yīng)步驟的組合。

該研究為解決鋰硫電池的本征缺陷問題提供了新的參考思路,并為硫族元素在鋰金屬電池中的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。近日,相關(guān)研究成果以Novel Lithium-Chalcogenide Batteries Combining S, Se and C Characteristics Supported by Chitosan-Derived Carbon Intertwined with CNTs為題,發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。

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