上海硅酸盐所在金属氟/硫基电池的界面催化和限域研究中取得进展

2021-07-07 15:30  来源:上海硅酸盐研究所  浏览:  

随着储能需求日益增长,基于嵌入机制的锂离子电池难以满足诸如电动汽车和智能电网等长续航和大规模储能体系的性能要求。转换型氟/硫基正极通过活性中心的多电子转移反应,能够冲破单电子嵌入化学的束缚,具备实现高比容量和高能量密度储能的潜质,例如:Li-FeF3和Li-FeS2的理论值可分别达712和894 mAh/g;1950和1671Wh/kg。然而,氟/硫基正极的持久可逆转换反应受到反应动力学迟缓和空间限域困难的阻碍。

近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李驰麟团队联合中国工程物理研究院研究员崔艳华团队,提出界面氟化的策略,分别实现LiF和多硫物质的高效转换。

含内置锂源的LiF与低价态金属氧化物(或金属氟化物或过渡金属单质)复合正极可通过自驱动的转换反应实现高比容量的输出,但LiF的充分裂解通常需要匹配高充电电位(4.5–5.0 V),从而导致电池的能量效率严重受损(<80%)。为此,研究人员首次采用尖晶石型结构的NiFe2O4作为双活性中心宿主,通过脉冲激光沉积技术制备高氟化界面丰度的LiF/NiFe2O4纳米薄膜正极。广泛分布的三维LiF/NiFe2O4界面网络能够提供充足的氧化还原反应位点,加速LiF裂解/重构和NiFe2O4氟化/脱氟的反应动力学。因此,该含锂氟基正极在低充电截止电压(4.2V)下即可实现充分的锂氟转换反应(赝电容储能贡献超过90%),在兼顾大比容量(~237mAh/g)和高能量效率(~88%)的同时,其优异的循环稳定性和倍率性能也处于已报道的预锂化氟基正极的最高水平。高催化活性NiFe2O4宿主材料匹配足量的氟化界面是开发商用LiF基预锂化转换正极的重要策略。相关研究成果以Low-Overpotential LiF Splitting in Lithiated Fluoride Conversion Cathode Catalyzed by Spinel Oxide为题,发表在Advanced Functional Materials上。

多硫组分的空间限域和催化激活问题阻碍着高比容量/能量密度硫系正极的深化应用。围绕该问题,科研人员提出Fe-S结构核心和氟化表面的新型组合构型,以实现FeS2@S双活性相正极的高效限域和转换。S-S组分和亲硫Fe-S结构核心之间的紧致贴合可增强内置吸附催化效应,而疏硫的氟化表面能够进一步抑制多硫活性物质的界面溶出。此外,导电FeS2晶粒的紧致堆垛配合氟化碳层的交联包裹强化了电子/离子传输网络的空间渗透性和连续性。亲硫/疏硫紧致构型的调制助力了S-S组分的空间限域和反应动力学的升级,促进了双活性相的协同转换反应,赋予了FeS2@S正极的高可逆比容量(储锂和储钠分别可达1000 mAh/g和600 mAh/g)和稳定长循环(1 C倍率下储锂循环700圈和储钠循环1000圈后的比容量仍可分别保持在800 mAh/g和370 mAh/g,对应的正极能量密度分别可达1200 Wh/kg和480 Wh/kg)。这种用于保证S-S组分可持续高效利用的新型正极构型为转换型硫系金属电池的发展提供了一种可行策略。该成果以Tight bonding and high-efficiency utilization of S-S moieties to enable ultra-stable and high-capacity alkali-metal conversion batteries为题,发表在Journal of Materials Chemistry A上。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划等的支持。

图1.尖晶石结构NiFe2O4催化LiF高效裂解以助力持久高效转换的氟基正极

图2.疏硫氟化表面和亲硫Fe-S结构核心的协同限域/激活效应保证多硫组分的持久高效转换

免责声明:本网转载自合作媒体、机构或其他网站的信息,登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。本网所有信息仅供参考,不做交易和服务的根据。本网内容如有侵权或其它问题请及时告之,本网将及时修改或删除。凡以任何方式登录本网站或直接、间接使用本网站资料者,视为自愿接受本网站声明的约束。
相关推荐
大连化学物理研究所实现高面容量、高电流密度下的锌沉积过程

大连化学物理研究所实现高面容量、高电流密度下的锌沉积过程

近日,大连化学物理研究所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员团队在锌基电池的膜材料研究方面取得新进展。团队通过膜材料的结构设计,实现了在高面容量、高电流密度条件下的锌均匀沉积过程,并对膜结构调控锌沉积过程的机理进行了详细地研究和探讨。
打破了生产成本和综合性的瓶颈,质优价廉固态电解质问世

打破了生产成本和综合性的瓶颈,质优价廉固态电解质问世

记者8月2日从中国科学技术大学获悉,该校马骋教授团队设计并合成了一种同时具有成本与性能优势的锂电池固态电解质,从而打破了固态电解质材料生产成本和综合性能难以兼得的瓶颈,使得全固态电池的商业化不再只是遥不可及的“锂”想。相关成果发表在《自然·通讯》上。
3000亿巨头看上锂矿资源?

3000亿巨头看上锂矿资源?

对于进军新能源矿产的报道,近3000亿元市值的矿业龙头企业紫金矿业2日晚发布澄清公告表示,截至目前,公司没有锂矿资源和相关业务。
研究:无序岩盐材料可以让充电电池变得更快更安全

研究:无序岩盐材料可以让充电电池变得更快更安全

为什么电池充满电需要这么长的时间,即使是那些用于手机和笔记本电脑等小型设备的电池也是如此?主要原因是设备及其充电器的设计使得可充电锂离子电池只能以较慢的受控速率充电。这是一种安全功能,有助于防止火灾甚至爆炸,因为微小的、坚硬的树状结构--被称为树突--可以生长在锂电池内部,当快速充电时会引发电池内部短路。
电工所在高性能MXene基锂离子电容器研究中获进展

电工所在高性能MXene基锂离子电容器研究中获进展

MXene作为一种新型二维过渡金属碳化物,具有与石墨烯类似的结构特点,在储能领域得到广泛研究。然而,MXene本身比容量低,因此构建合理的纳米结构、保留二维材料特征、引入高储锂容量成为MXene在高性能电极材料应用方面的挑战。

推荐阅读

关于我们 | 广告服务 | 联系我们 | 免责声明
京ICP备16023390号-2 Copyright © 能源界 服务台:010-63990880