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青岛能源所在锂硫电池硫族正极研究中取得新进展

  锂硫电池因其较高的理论容量(1675 mAh·g-1)和能量密度,被认为是增加电动汽车续航里程的有效策略之一。然而,硫正极电子导电性差、体积变化剧烈以及多硫化锂的穿梭效应等缺点,严重阻碍了锂硫电池的性能。因此,开发和制备新型硫正极材料将会是实现高效储能锂硫电池的有效途径之一。
  青岛能源所武建飞研究员率领的先进储能材料与技术研究组在锂硫电池领域进行了一系列的科学探索。近期,研究组在前期研究的基础上(Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131790),成功开发出具有高比表面和多级孔结构的活性炭(AC)载体,并通过硒 (Se) 和碲 (Te) 取代部分S的新型正极材料。该新型正极还具备容量高、导电性强、稳定性好等优点,在醚类和酯类电解液中都能表现出优异的电化学性能。
  如图1所示,Raman光谱、XRD和XPS谱图中出现了有别于S、Se、Te单一组分的新的特征峰,HRTEM图中也出现了基于S-Se-Te的晶格条纹,表明该正极材料并非S、Se、Te三种组分简单的物理混合,而是彼此键合形成一种新型的三元化合物。该SST/AC复合电极在醚类和酯类电解液中都表现出优于单一S的电化学性能。在酯类电解液中,电池在0.5 C电流密度下循环300圈后仍能保持1024.9 mAh·g-1的高比容量,且在酯类和醚类电解液中容量保持率都能达到70%以上,表现出良好的兼容性。此外,S、Se和Te的三元协同效应可有效提升材料的导电性能,显著降低电荷传输能垒,从而减小了充放电过程中的电化学极化,改善了材料的库伦效率和循环性能。
  通过硫族元素改良硫正极,解决锂硫电池中硫正极本征缺陷的问题,且在醚类和酯类电解液中均有良好的兼容性,为硫族元素在锂硫电池中的研究和应用,提供了新思路。本工作的相关研究成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces《应用材料与界面》期刊上。
  论文第一作者为博士生杨泽文,通讯作者为武建飞研究员和孙晓林高级工程师。上述工作获得了国家面上自然科学基金、中科院洁净能源实验室合作项目、中国博士后科学基金、山东省自然科学基金等的支持。(文/图 杨泽文 张源)
  原文链接:http://doi.org/10.1021/acsami.2c08642 
  Zewen Yang, Dandan Jia, Qing Zhao, Depeng Song, Yuan Zhang, Jing Gao, Xiaolin Sun,* Takeo Ohsaka, Futoshi Matsumoto, Qiang Shen, and Jianfei Wu*, Multichalcogen-Integrated Cathodes for Novel Lithium-Chalcogenide Batteries in Ether and Ester Electrolytes. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 2c08642
  
  图1 S-Se-Te三元复合正极材料物相形貌表征及电化学性能
  

 


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