电院郭守武教授团队在研究高性能锂-硫电池方面取得进展

2022-11-02 14:35:00
bradley
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  近日,电子信息与电气工程学院电子工程系郭守武教授团队在锂-硫(Li-S)电池研究方面取得突破性进展,研究成果以“单原子调控纳米片异质界面电子结构实现高性能锂硫电池”(Single-atom-regulated Heterostructure of Binary Nanosheets to Enable Dendrite-free and Kinetics-enhanced Li-S batteries)为题在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上发表。论文揭示了锚定有铂单原子的In2S3/Ti3C2二维纳米异质结构Pt 2在催化多硫化物分解、促进Li-S电池充放电过程中的电化学反应动力学、抑制多硫化物穿梭以及锂枝晶生长的过程机制。 该研究由上海交通大学与中科院上海微系统与信息技术研究所合作完成。上海交通大学为第一完成单位,电子工程系周超博士后为第一作者,郭守武教授和中科院上海微系统与信息技术研究所李明副研究员为共同通讯作者。

  图1. a)超声辅助光化学还原法制备单原子锚定纳米片异质结构示意图;b) PP和改性PP隔膜工作原理示意图

  锂-硫(Li-S)电池具有理论能量密度高(~2600 Wh kg-1)、原材料易得、制造成本低和环境友好等特点,近年来得到了人们的广泛关注。然而,Li-S电池也面临着多硫化物穿梭效应、硫氧化还原反应动力学缓慢以及负极锂枝晶生长等一系列问题,这严重制约了其实际应用和商业化发展。

  针对这些问题,研究团队结合理论和实验研究发现在In2S3中锚定的Pt SAs可有效克服纳米片异质结构In2S3/Ti3C2界面电子转移势垒,实现界面电子结构的有效调控,提高其在多硫化物分解中的催化性能。表面修饰有Pt 2的电池隔膜能够有效地抑制多硫化物穿梭效应并加速其氧化还原动力学过程,极大地提高了硫利用率,同时在锂的嵌入/脱出过程中有助于实现锂离子在负极表面的均匀成核,抑制锂枝晶的生成。研究还发现,利用Pt 2修饰的隔膜组装的Li-S电池具有优异的电化学性能。在电流密度5 mA/cm2条件下表现出稳定的锂离子沉积-剥离行为;在0.5C下具有较高的起始容量1068.4 mAh g-1,循环1000次后具有0.019%每圈的低衰减率且表现出优异的倍率性能(5C,719.6 mAh g-1)。此外,在硫负载量6.4 mg cm-2和低E/S比(10 μL mg-1)条件下,组装成的软包电池,在0.2C下循环300圈后仍保持4.95 mAh cm-2的高面积容量,容量保持率为89.3%。

  图3. Pt 2纳米片异质结构和对照样品DFT模拟计算结果以及作为正极端隔膜修饰剂组装成的半电池性能测试结果

  该研究工作不仅为制备单原子催化剂提供了一种新方法,拓展了单原子催化剂体系在Li-S电池电化学反应中的应用,也为高性能Li-S电池的实际应用提供了新思路。

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