- A+
开发高效、可持续的先进储能技术是应对全球能源与环境危机的有效办法。其中,以硫单质为正极的锂硫电池具有理论能量密度高、成本低等优势,被视为最具潜力的电化学储能体系之一。然而锂硫电池在高硫载量、贫电解液用量下反应动力学迟滞、库伦效率低,导致其循环寿命不尽人意,难以满足实用化需求。归根结底,锂硫电池的主要问题在于多硫化锂(LiPS)转化过程复杂,各步骤反应动力学难调控,致使硫还原过程的整体反应速率低。这些问题阻碍了高效硫正极材料的设计与创制,不利于高性能锂硫电池的开发与实际应用。为此,急需发展硫正极活性位点设计与调控的新方法,从而提升LiPS催化活性,实现高效稳定转化。 在前期研究的基础上,加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士团队深入研究了缺陷工程对活性位点的调控作用,提出了毗邻缺陷结构的表界面设计策略。团队发现毗邻缺陷具有优异的多种LiPS吸附能力和锂离子迁移能力,可作为LiPS连续转化的高效位点,从而优化转化反应路径,提升选择性。为了验证这一猜想,研究人员以UIO-66为模型催化剂,通过在特定位点引入缺陷以构筑出具有配体缺陷和团簇缺陷毗邻的双缺陷结构,研究其高载、贫液条件下的锂硫催化行为。
图 1 双缺陷MOF正极材料的催化机理及电荷分布图 电化学测试和第一性原理密度泛函理论(DFT)计算表明,毗邻的双缺陷结构可实现LiPS的选择性催化以加快锂硫的转化反应动力学。具体来说,MOF缺失的配体缺陷可以选择性地加速S8→Li2S4的转化,而缺失的团簇缺陷可以催化Li2S4→Li2S的反应,两种缺陷以毗邻结构形式存在时可有效抑制LiPS的穿梭效应,实现锂硫电池在高硫载量、贫液条件下的优异性能。 图 2 双缺陷MOF正极材料的LiPS转化能力分析图 最终,当毗邻双缺陷MOF基锂硫电池在硫负载量为12.9 mg cm-2和E/S = 3.9 mL g-1时表现出良好的循环稳定性,所制备的软包电池也具有100圈的循环寿命。这项工作不仅启发了实用化锂硫电池正极材料的活性位点结构设计,而且为相关的能量存储和转换领域提供了重要启示。 图 3 双缺陷MOF正极材料的电化学性能图 论文信息 Accelerated Multi-step Sulfur Redox Reactions in Lithium-Sulfur Batteries Enabled by Dual Defects in Metal-Organic Framework-based Catalysts Prof. Xin Wang, Dr. Xiaomin Zhang, Yan Zhao, Dr. Dan Luo, Prof. Lingling Shui, Yebao Li, Dr. Ge Ma, Yaojie Zhu, Dr. Yongguang Zhang, Prof. Guofu Zhou, Prof. Aiping Yu, Prof. Zhongwei Chen Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202306901
目前评论:0