近日，省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室能源材料團隊劉文武副研究員等人在鋰-有機硫電池領域取得最新研究進展，并以題“Design of atomic cobalt selenide-doped sulfurized polyacrylonitrile cathode with enhanced electrochemical kinetics for high performance lithium-SPAN batteries”發表在國際工程領域TOP期刊Chemical Engineering Journal (IF:15.1，中科院一區)上，蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室為第一完成單位，劉文武副研究員為第一通訊作者，我校冉奮教授和臺灣新竹清華大學闕郁倫客座教授為共同通訊作者。
與鋰離子電池相比，鋰硫電池因其具有2600 Wh kg-1的能量密度和1675 mAh g-1的理論比容量而備受科研人員的關注。另外，硫單質還具有市場資源豐富，成本更加經濟，對環境更加友好的優點。但是距離鋰硫電池商業化生產應用還有許多問題需要解決，例如：硫導電性差的特點和反應過程產生的LiPSs會阻礙電化學過程的電子轉移，導致反應動力學緩慢。并且部分長鏈LiPSs部分在電解液中溶解，隨著電解液濃度梯度的影響發生穿梭，導致電池容量衰減等一系列電化學問題，這種現象被稱為“穿梭效應”。因此需要開發一種新的正極材料，在提升反應動力學的基礎上，能夠有效的解決穿梭效應。硫基聚合物正極材料，與傳統的鋰硫電池相比，它是一種將聚合物和單質硫鏈在高溫下合成為硫環，然后通過化學鍵的結合的方式將部分硫鏈聚合在聚合物上的材料。使用該材料的電池取代了單質硫物理負載的策略。硫基聚合物能夠避免長鏈多硫化物的產生，將電池從雙平臺的“固-液-固”轉化反應轉變為單平臺的“固-固”轉化反應。然而，由于硫基聚合物的自身導電性差，還原反應動力學緩慢，影響電池倍率及循環壽命穩定性。因此，如何合理設計硫正極材料，是解決鋰硫電池問題的關鍵。
在此項研究成果中作者以單原子級硒化鈷負載硫化聚丙烯腈高聚物CoSe2@SPAN為研究對象，探討了單原子Co負載對SPAN還原儲鋰過程中親核試劑S2–的HOMO能級與親電試劑Li+的LUMO能級匹配度，及其對鋰-有機硫電池還原沉積動力學及電化學性能的影響機制。提出了一種新穎的前線軌道匹配策略來加快正極材料SPAN的儲鋰動力學行為，改善Li-SPAN電池的電化學性能。基于前線分子軌道理論，Li-SPAN電池電化學性能提高主要歸因于：正極材料CoSe2-10@SPAN化學結構中形成的N-Co-S·化學配位使得放電過程中親核試劑S2–的HOMO能級與親電試劑Li+的LUMO能級匹配度增強，從而降低了沉積產物Li2S的成鍵軌道σ能級，加快了CoSe2@SPAN正極材料的儲鋰化學反應動力學，進而提高了電池的可逆容量和循環壽命穩定性。同時單原子硒的摻雜增加了Li+的擴散系數，降低了極化電壓，使SPAN向Li2S轉變更加迅速；結合DFT計算，對催化機理進行了一系列研究，并取得了一定的創新成果，對未來的研究也具有指導作用。對了解鋰-有機硫電池的儲鋰反應動力學機理，實現高能量密度的鋰硫電池，以加速其在商業市場中的應用有科學意義和使用價值。
該項工作得到了國家自然科學基金(No.52262035)、甘肅省科技廳青年基金(No.21JR7RA256)、金川國家鎳鈷技術新材料技術創新中心(No.2022GY003)、蘭州理工大學紅柳優秀青年人才支持計劃(No. 062004)、省部共建國家重點實驗室優秀青年培育計劃(No. 20220108)和甘肅省教育廳“雙一流”科研重點項目(GSSYLXM-03)等經費的支持。(撰稿：周宏偉，審核：石玗)
作者簡介：劉文武，男，2017年1月博士畢業于北京科技大學冶金與生態工程學院冶金物理化學專業。長期從事有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池、碳基鈣鈦礦太陽能電池、鋰硫電池、磷酸鐵鋰動力鋰離子電池、新型能源材料與器件研究。主持國家自然科學基金、甘肅省自然科學基金、金川集團股份有限公司國家金川鎳鈷新材料技術創新中心橫向課題、蘭州理工大學紅柳優秀青年人才支持計劃等項目6項，參與國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、甘肅省科技廳重點研發計劃等項目9項。以通訊作者或第一作者身份在國際著名學術期刊Advanced Energy Materials,Journal of Energy Chemistry,Chemical Engineering Journal,ACS Applied Materials Interface，Applied Surface Science，Journal of Materials Chemistry C等期刊發表學術論文20余篇，擔任International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials、Applied Surface Science、Applied Materials Interfaces等期刊審稿人。擔任中國可再生能源學會光伏專業委員會會員，北京科技大學主辦國際著名學術期刊International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials青年編委。
甘公網安備 62010002000207號