高科院“高原绿色能源研发与应用创新团队”在锂硫电池研究方面取得进展

近日，高科院“高原绿色能源研发与应用创新”团队在锂硫电池研究方面取得进展，365官网物理学科的相关教师亦参加此项研究。该团队成员、兰州大学周金元教授在SCI一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（IF 16.74）、《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF 10.38）发文揭示极化拓扑β-聚偏氟乙烯对Li2S沉积的增强本质：超越内建电场效应、揭示金属离子切割辅助合成富含缺陷的MoS2纳米片用于高速率和超稳定的Li2S催化沉积机理。高科院“高原绿色能源研发与应用创新”团队成立以来，聚焦绿色发展及应用技术，产出了一批有价值的成果，带动了一批校内中青年科研骨干，有效支撑了bat365在线平台登录的物理学科建设。

研究成果1：

锂硫电池(LBS)因其较高的理论容量密度和能量密度，以及丰富的硫资源而受到广泛关注。然而，可溶性多硫化锂(LiPSs)的关闭效应往往掩盖了它们的商业可行性，导致活性材料的损失和容量在循环时的快速衰减。铁电材料产生的电场常被应用于储能器件中，通过静电相互作用来增强储能器件的电化学反应动力学。然而，传统的铁电材料由于其绝缘性能难以商用。针对上述问题，提出了一种通过极化用于锂硫电池C/S阴极的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂来引入静电相互作用的新策略。通过内置电场将PS^-离子锚定在阴极上，提高了Li₂S的化学吸收性能，从而提高了Li₂S的沉积能力和循环稳定性。同时，PS ^-离子和Li⁺离子(尤其是Li⁺)在电场和电导增强的双重作用下加速离子，从而提高了速率能力。从实验和理论上展示了β相PVDF的外部电场如何诱导前所未有的性能和稳定性。密度泛函理论计算结果也表明极化拓扑β相PVDF不仅具有较强的内嵌电场和较好的电导，有利于LiPSs的沉积和Li⁺离子的转运，而且对多硫离子的吸附能力增强。最终锂硫电池比容量提高了60%以上，速率能力显著提高，容量衰减率大幅降低，该研究为铁电工程设计高性能储能器件提供了新的思路。

该研究成果以“Unveiling the enhancement essence on Li₂S deposition by the polarized topological β-polyvinylidene fluoride: Beyond built-in electric field effect”为题发表于《Chemical Engineering Journal》（2022年10月）。本研究是周金元教授与高科院“高原绿色能源研发与应用创新”团队中的bat365在线平台登录物理与电子信息工程学院科研人员的合作成果。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722052317

研究成果2：

随着电动汽车、便携式电子产品等大容量储能设备需求的增加，锂离子电池因能量密度有限而逐渐变得越来越不足。在各种新型二次电池中，锂-硫电池(LBS)因其较高的理论比容量和高能量密度以及地球上丰富的硫储量而引起了极大的兴趣。然而，LBS通常伴随着由长链可溶性多硫化锂(LiPSs)中间体引起的穿梭效应，不仅会增加“死硫”的数量，降低硫的利用率，还会降低LiPSs的转化率。针对上述问题，提出了在MoS₂的基面中引入空位以提高锂硫电池的其电化学性能。通过在Ar气氛下简单退火载Zn²⁺离子的碳nanofiber@MoS₂ NS (CNF@MoS₂)核-壳复合材料，设计了富含缺陷的MoS2纳米片(NS)/ZnS纳米颗粒(NP) (MoS_2−x/ZnS)异质结。反应过程中，Zn离子从MoS2 NPs中捕获了部分S^{2 -}离子并形成了ZnS NPs，而靠近ZnS NPs的MoS2缺乏大量的S^{2 -}离子并转变为MoS_2−x。MoS_{2 - x} NSs的基面产生了大量新的边缘和不饱和配位活性位点对LiPSs有更强的化学吸附，也有助于LiPSs的氧化还原反应动力学，从而更好地缓解穿梭效应。结果表明，CNF@ MoS_2−x/ZnS−S复合阴极表现出较高的初始放电比容量，优异的速率性能和超高的循环，该研究为高性能储能器件富缺陷电极材料的设计提供了新的思路。

该研究成果以“Metal Ion Cutting-Assisted Synthesis of Defect-Rich MoS₂ Nanosheets for High-Rate and Ultrastable Li₂S Catalytic Deposition”为题发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》（2022年8月）。本研究是周金元教授与高科院“高原绿色能源研发与应用创新”团队中的bat365在线平台登录物理与电子信息工程学院科研人员的合作成果。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c09176