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内民大刘景海教授团队《J. Power Sources》:四硫富瓦烯改善锂硫电池的界面、电子传导并调节多硫化物氧化还原反应

时间:2022-05-12 来源: 浏览:

内民大刘景海教授团队《J. Power Sources》:四硫富瓦烯改善锂硫电池的界面、电子传导并调节多硫化物氧化还原反应

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由于硫的理论能量密度高、成本低和无毒等优点,锂硫 (Li-S) 电池被认为是有前途的下一代能源存储候选产品之一。但是硫及其放电产物 (Li 2 S/Li 2 S 2 ) 的导电性差、硫的损耗、多硫化锂 穿梭效应 ”(LiPSs) 对锂负极的严重腐蚀以及 Li 2 S 的不可逆沉积导致实际能量密度低、库仑效率低、容量衰减快等问题。电解液在影响锂离子的传输和电导率发挥着至关重要的作用。添加剂能稳定电极 / 电解质界面,降低多硫化物在电解质中的溶解度,保护锂负极。因此,引入合适的添加剂被认为是提高锂硫电池电化学性能的简单而有效的途径。
内蒙古民族大学的刘景海教授团队与东北师范大学的谢海明教授团队合作 对醚类电解液进行合理设计,以四硫富瓦烯( TTF )作为电解液添加剂, 利用密度泛函理论计算 T TF 通过范德华力作用改善 Li 2 S x 的电子传递。 结合实验测试结果表明在电解液中加入 T TF 可以 提高氧化还原动力学,从而减缓 穿梭效应 ,提高硫的利用率。促进 LiNO 3 Li 3 N 在锂负极上形成高导电性钝化层,起到保护锂负极的作用。因此,具有 TTF 的电池表现出优异的性能,高放电 容量 (0.1C 时为 1359 mAh g -1 ) 、长循环稳定性 (0.5C 500 次循环后为 509 mAh g -1 ) 、在低 E/S (5.5 μL mg -1 ) 的情况下,放电容量为 1129 mAh g -1 ,在 0.1C 下放电 200 次,每次放电容量衰减率为 0.20% 因此,探索具有一种多功能化的电解液添加剂,是实现多方面改善锂硫电池电化学性能的一条有效途径。 相关工作以 Tetrathiafulvalene as a multifunctional electrolyte additive for simultaneous interface amelioration, electron conduction, and polysulfide redox regulation in lithium-sulfur batteries 为题,发表在《 Journal of Power Sources 》上。

   
1 不同化合物 (Li 2 S x   TTF, x = 1,2,4,6,8) 的低梯度等值面 (RDG) (s = 0.5 a.u.)
 

2  TTF, Li 2 S x Li 2 S x  + TTF (x = 1,2,4,6,8) FMOs 能级示意图。

3  (a) TTF 和有 TTF 电池 CV 曲线 (b) TTF TTF 0.1C 的充放电曲线。 ( c ) T TF 不同周期充放电曲线。 ( d ) T TF 不同 周期 充放电曲线。 ( f ) 0.5C 时,无 TTF 和有 TTF 长循环测试。
 

4   原始 电池 (a)100 个周期后 电池 (b) Nyquist 图分别为在 0.1C 时没有 TTF 和有 TTF 折线是插图中显示的使用等效电路的拟合
 

5   原始电池和未加 / TTF 电池 100 次循环后 (a-c) 和锂 (d-f) SEM 图像。
 

6   循环 100 次后锂 极表面的 XPS 研究。无 TTF (a, c) 和有 TTF (b, d) S 2p N 1s 光谱。

7   TTF 作为电催化剂的 Li-S 电池循环过程的机理示意图。
 
论文的第一作者为内蒙古民族大学纳米创新研究院的吴桐博士,通讯作者为刘景海教授及东北师范大学谢海明教授。所有研究工作均在内蒙古民族大学纳米创新研究院完成,该研究得到国家自然科学基金、内蒙古自治区科技成果转化项目、长春科技局低温高能动力电池研发项目、东北师范大学物理化学重点学科建设项目和中央高校的资助支持。
论文信息
Tong Wu, Jinting Ye, Tunan Li, Yuong Liu, Liu Jia, Liqun Sun, Jinghai Liu*, Haiming Xie*, Tetrathiafulvalene as a multifunctional electrolyte additive for simultaneous interface amelioration, electron conduction, and polysulfide redox regulation in lithium-sulfur batteries. Journal of Power Sources.2022, 10.1016/j.jpowsour.2022.231482.
原文链接 https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231482
 

作者简介

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刘景海 教授:长期从事纳米碳与无机固体材料的合成化学与光催化、电化学能源、生物电子应用的研究,近年来注重纳米科学与固体化学的交叉研究,从电子态、原子价态和电荷转移角度理解固体材料催化、储能、传感特性与纳米尺度微结构的构效关系。先后主持并参与了国家自然科学基金、内蒙古自然科学基金杰出青年项目、内蒙古自治区科技成果转化项目、内蒙古自治区科技计划项目等 11 项。以第一完成人获得内蒙古自然科学二等奖,在 Matter, Nano Letters, Advanced Functional Materials, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry 等国际学术期刊上发表学术论文 80 余篇。

谢海明 教授:十三五国家重点研发计划新能源车专家组专家;动力电池国家地方联合工程实验室主任;物理化学学科带头人 PI ;化学学院教授委员会委员;吉林省长白山学者,教育部新世纪优秀人才,吉林省首批学科领军教授,首批东师仿吾青年学者,首批东师学者,全国优秀博士毕业学位论文提名奖,获得 2018 年吉林省双创十大创新尖兵, 2014 年吉林省战略性新兴产业先进集体, 2011 年长春市五一劳动奖状, 2011 年吉林省最佳经济技术创新能手称号。多年来潜心研究锂离子电池、锂硫电池、锂空电池以及各类电池新型材料,包括磷酸亚铁锂材料、磷酸钒 锂、钛酸锂、耐高温隔膜、不燃电解液、磷酸铁锂动力电池、超低温锂离子动力电池等;近年来同加拿大魁北克水电研究院、法国巴黎第六大学等科学家合作开发高安全高能量密度的全固态锂电池,在锂离子动力电池及其材料领域具有较深的研究;多年来一直以产学研方式同企业紧密合作,先后建立了“辽源市鸿图锂电隔膜科技股份有限公司”,生产锂离子电池隔膜,“吉林中聚新能源股份有限公司”生产动力电池,“营口航盛科技实业有限公司”生产磷酸亚铁锂材料,   长春劲能科技集团股份有限公司 生产超低温动力电池和全固态锂电池,带动了我国新能源车的快速发 展。近年来发表论文五十余篇、申请专利二十余项,申请科研项目经费三千余万元。

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