Advanced Energy Materials:本征碳缺陷碳纳米管设计助力高性能长寿命锂硫电池

目前商业化的锂离子电池几乎已经开发至理论容量极限,无法进一步满足现代科技日益增长的能源需求,因此开发新的电池体系显得尤为必要。锂硫电池因其低成本,高理论容量和高环境友好性而被认为是未来高能量密度电池体系的理想候选者,受到全世界科研工作者的广泛关注。但是锂硫电池的商业化进程仍然受制于一些技术问题,比如硫的室温绝缘性,硫在充放电过程中发生的体积变化和硫的反应中间产物在电解液中的大量溶解等,这些问题使得锂硫电池的循环稳定性和倍率性能无法满足实用化需求。

在此基础上,加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士、华南师范大学王新研究员及河北工业大学张永光教授团队合作开发了以多孔CNT微球为主体的硫宿主材料,同时为了克服单纯CNT催化性能不足的缺陷,在合成过程中采用水蒸气刻蚀操作引入本征碳缺陷,合成的富缺陷碳纳米管能够为电子传输提供快速通道,实现快速的物质转移。而且刻蚀后的CNT管壁上富含的微孔、介孔也为反应的发生提供了丰富的活性位点。理论计算和实验结果表明,碳缺陷的引入使得CNT对于多硫化物的吸附能力显著提高,还能够催化硫氧化还原反应的发生,实现快速的反应动力学。基于上述优势,使用S/ePCNTM-20硫正极组装得到的锂硫电池实现了高循环稳定性(在1 C的测试条件下在500次循环过程中每循环容量衰减率仅为0.046%),优异的倍率性能(在3 C的测试条件下表现出785 mAh g−1的放电比容量),即使在6.5 mg cm−2的高载硫量条件下也能保持3.2 mAh cm−2的面载容量。这项工作的设计合理地结合了结构设计和缺陷工程,为锂硫电池的设计提供新的思路和见解,同时也可以启发其他相关储能和转换领域的目标材料设计。相关论文在线发表于Advanced Energy Materials上。

通讯作者简介

陈忠伟,加拿大滑铁卢大学化学工程系教授,滑铁卢大学电化学能源中心主任,加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席,加拿大皇家科学院院士,加拿大工程院院士,入选全球高被引科学家。陈忠伟院士带领一支约70人的研究团队常年致力于燃料电池,金属空气电池,锂离子电池,锂硫电池,锂硅电池,液流电池等储能器件的研发和产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci.等国际知名期刊发表SCI论文300余篇,被引 32000余次, H-index 指数90,并担任ACS Applied & Materials Interfaces副主编。课题组主页:http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

王新,华南师范大学研究员。主要研究方向为新能源材料与器件。曾获得教育部自然科学奖一等奖,主持国家自然科学基金、广东省杰出青年基金,广东省自然科学基金、广东省新型研发机构等项目;目前已申请专利66件,获批专利26件,并以第一作者或通讯作者发表论文58篇,被引次数3000 次,H 值为 28。相关代表性研究成果以第一作者或通讯作者发表在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater, Appl. Catal. B, Energy Storage Mater.等行业高水平期刊上。

论文信息:

“Sauna” Activation toward Intrinsic Lattice Deficiency in Carbon Nanotube Microspheres for High-Energy and Long-Lasting Lithium–Sulfur Batteries

Yongguang Zhang, Gaoran Li, Jiayi Wang, Dan Luo, Zhenghao Sun, Yan Zhao, Aiping Yu, Xin Wang*, Zhongwei Chen*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100497

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202100497

AEnM

《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)创刊于2011年,是Wiley出版社旗下能源类材料科学权威期刊。期刊秉持国际、综合视角,为各类应用于能源技术中的先进材料的最前沿研究成果提供展示、传播与交流的国际化平台。最新影响因子为25.245,中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。