中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張躍鋼與藺洪振團(tuán)隊(duì)分別從納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面功能化出發(fā)，制備不同的活性納米催化劑復(fù)合材料，選用原位光譜手段研究其相關(guān)作用機(jī)制。研究人員優(yōu)化調(diào)控三維石墨烯的孔隙結(jié)構(gòu)及其功能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可溶的多硫化物的物理與化學(xué)強(qiáng)吸附作用(Journal of Power Sources, 2016, 321, 193);利用原位化學(xué)聚合的方式，增強(qiáng)三維石墨烯/碳納米管的復(fù)合納米材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高面積載量(10.2 mgcm-2)硫正極的長壽命穩(wěn)定循環(huán)(圖1)(Nano Energy, 2017, 40, 390)。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)僅靠物理化學(xué)吸附的手段抑制穿梭效應(yīng)具有局限性，不能滿足電池的快速充放電特性。鑒于此，該研究提出多種“吸附+催化”的策略，綜合解決鋰硫電池的關(guān)鍵問題，用一步法合成高活性的氧缺陷金屬氧化物(ODMO)納米團(tuán)簇催化劑，實(shí)驗(yàn)和理論模擬結(jié)果證實(shí)，氧缺陷活性位點(diǎn)可顯著加快多硫化物中S-S鍵的斷裂與生成，使電池的容量減率低至0.055%，滿足快速充電/放電以及長期穩(wěn)定的性能要求(ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 12727)。為了降低不導(dǎo)電性反應(yīng)產(chǎn)物硫化鋰充電時(shí)脫鋰離子的難度，加快電化學(xué)反應(yīng)的速度，研究將單原子催化引入到鋰電池領(lǐng)域，結(jié)合球差矯正電鏡和同步輻射X射線吸收光譜(XAS)證實(shí)單原子催化劑的存在。結(jié)果顯示，單原子催化劑可明顯改善基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)電池的充放電速率，在12C(理論5分鐘充滿)時(shí)電池的容量仍有58 8mAh g-1)，在5C時(shí)1000次循環(huán)容量衰減率為0.06%。研究團(tuán)隊(duì)還通過原位XAS手段，初步研究單原子鐵催化劑在脫鋰過程中的演化規(guī)律(Energy Storage Materials, 2019, 18, 246)。此外，為了滿足高面積載量鋰硫電池的商業(yè)化要求，大容量電池需實(shí)現(xiàn)電池的快速充放電。為解決此問題，研究人員在納米碳基底上制備出均勻負(fù)載分布單原子鈷(SACo)催化劑復(fù)合正極材料，證明單原子催化劑可以加快鋰離子在高面積載量Li2S電極反應(yīng)中的擴(kuò)散速率，為實(shí)現(xiàn)高能量密度與功率密度的鋰電池提供研究思路(Energy Storage Materials, 2020, 28, 375)。
基于上述研究，研究人員在ChemSusChem撰寫題為Single-Atomic Catalysts Embedded on Nanocarbon Supports for High Energy Density Lithium-Sulfur Batteries的概念文章(ChemSusChem, 2020, 13, 3404)，概述近兩年鋰硫電池領(lǐng)域應(yīng)用碳納米材料負(fù)載單原子催化劑的研究工作，闡述原子級(jí)催化劑在電池領(lǐng)域催化電化學(xué)反應(yīng)中的重要作用并作出展望。除了正極，研究團(tuán)隊(duì)還在金屬負(fù)極研究中取得進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)選用合適的電解液可在Sn電極表面形成固體電解質(zhì)中間相(SEI)，提高電池的穩(wěn)定性與壽命(ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 30500)。
相關(guān)研究成果的第一作者均為博士王健，研究工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及德國洪堡基金會(huì)(Alexander von Humboldt Foundation)等的支持。
蘇州納米所高性能鋰二次電池研究獲進(jìn)展
