近日，高科院“高原綠色能源研發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新”團隊在鋰硫電池研究方面取得進展，我校物理學(xué)科的相關(guān)教師亦參加此項研究。該團隊成員、蘭州大學(xué)周金元教授在SCI一區(qū)TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（IF 16.74）、《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF 10.38）發(fā)文揭示極化拓撲β-聚偏氟乙烯對Li2S沉積的增強本質(zhì)：超越內(nèi)建電場效應(yīng)、揭示金屬離子切割輔助合成富含缺陷的MoS2納米片用于高速率和超穩(wěn)定的Li2S催化沉積機理。高科院“高原綠色能源研發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新”團隊成立以來，聚焦綠色發(fā)展及應(yīng)用技術(shù)，產(chǎn)出了一批有價值的成果，帶動了一批校內(nèi)中青年科研骨干，有效支撐了青海師范大學(xué)的物理學(xué)科建設(shè)。
研究成果1：
鋰硫電池(LBS)因其較高的理論容量密度和能量密度，以及豐富的硫資源而受到廣泛關(guān)注。然而，可溶性多硫化鋰(LiPSs)的關(guān)閉效應(yīng)往往掩蓋了它們的商業(yè)可行性，導(dǎo)致活性材料的損失和容量在循環(huán)時的快速衰減。鐵電材料產(chǎn)生的電場常被應(yīng)用于儲能器件中，通過靜電相互作用來增強儲能器件的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。然而，傳統(tǒng)的鐵電材料由于其絕緣性能難以商用。針對上述問題，提出了一種通過極化用于鋰硫電池C/S陰極的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合劑來引入靜電相互作用的新策略。通過內(nèi)置電場將PS-離子錨定在陰極上，提高了Li2S的化學(xué)吸收性能，從而提高了Li2S的沉積能力和循環(huán)穩(wěn)定性。同時，PS -離子和Li+離子(尤其是Li+)在電場和電導(dǎo)增強的雙重作用下加速離子，從而提高了速率能力。從實驗和理論上展示了β相PVDF的外部電場如何誘導(dǎo)前所未有的性能和穩(wěn)定性。密度泛函理論計算結(jié)果也表明極化拓撲β相PVDF不僅具有較強的內(nèi)嵌電場和較好的電導(dǎo)，有利于LiPSs的沉積和Li+離子的轉(zhuǎn)運，而且對多硫離子的吸附能力增強。最終鋰硫電池比容量提高了60%以上，速率能力顯著提高，容量衰減率大幅降低，該研究為鐵電工程設(shè)計高性能儲能器件提供了新的思路。
該研究成果以“Unveiling the enhancement essence on Li2S deposition by the polarized topological β-polyvinylidene fluoride: Beyond built-in electric field effect”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》（2022年10月）。本研究是周金元教授與高科院“高原綠色能源研發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新”團隊中的青海師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院科研人員的合作成果。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722052317
研究成果2：
隨著電動汽車、便攜式電子產(chǎn)品等大容量儲能設(shè)備需求的增加，鋰離子電池因能量密度有限而逐漸變得越來越不足。在各種新型二次電池中，鋰-硫電池(LBS)因其較高的理論比容量和高能量密度以及地球上豐富的硫儲量而引起了極大的興趣。然而，LBS通常伴隨著由長鏈可溶性多硫化鋰(LiPSs)中間體引起的穿梭效應(yīng)，不僅會增加“死硫”的數(shù)量，降低硫的利用率，還會降低LiPSs的轉(zhuǎn)化率。針對上述問題，提出了在MoS2的基面中引入空位以提高鋰硫電池的其電化學(xué)性能。通過在Ar氣氛下簡單退火載Zn2+離子的碳nanofiber@MoS2 NS (CNF@MoS2)核-殼復(fù)合材料，設(shè)計了富含缺陷的MoS2納米片(NS)/ZnS納米顆粒(NP) (MoS2?x/ZnS)異質(zhì)結(jié)。反應(yīng)過程中，Zn離子從MoS2 NPs中捕獲了部分S2 -離子并形成了ZnS NPs，而靠近ZnS NPs的MoS2缺乏大量的S2 -離子并轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>MoS2?x。MoS2 - x NSs的基面產(chǎn)生了大量新的邊緣和不飽和配位活性位點對LiPSs有更強的化學(xué)吸附，也有助于LiPSs的氧化還原反應(yīng)動力學(xué)，從而更好地緩解穿梭效應(yīng)。結(jié)果表明，CNF@ MoS2?x/ZnS?S復(fù)合陰極表現(xiàn)出較高的初始放電比容量，優(yōu)異的速率性能和超高的循環(huán)，該研究為高性能儲能器件富缺陷電極材料的設(shè)計提供了新的思路。
該研究成果以“Metal Ion Cutting-Assisted Synthesis of Defect-Rich MoS2 Nanosheets for High-Rate and Ultrastable Li2S Catalytic Deposition”為題發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》（2022年8月）。本研究是周金元教授與高科院“高原綠色能源研發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新”團隊中的青海師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院科研人員的合作成果。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c09176
