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“电化学”可以更“化学”——催化效应使锂硫电池更“长寿”

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-09-26  来源:清华大学深圳研究生院  作者:材料仪器网  浏览次数:94
核心提示:基于超高的能量密度、高安全性以及成本低廉等优势,锂硫电池是最具发展潜力的新型储能器件之一。锂硫电池的产业化还有很多科学和

基于超高的能量密度、高安全性以及成本低廉等优势,锂硫电池是最具发展潜力的新型储能器件之一。锂硫电池的产业化还有很多科学和技术问题亟待解决,其中多硫化物在电解液中的溶解会造成严重的穿梭效应,导致活性物质的流失以及电池容量的快速不可逆衰减,是锂硫电池发展中必须克服的瓶颈。

所谓穿梭效应,是指在锂硫电池放电过程中,多硫化物大量生成并溶解于电解液中,造成活性物质与电极表面的脱离并进一步导致放电产物的大量集聚,降低整个电池反应的反应动力学,形成不可逆转的“死硫”;而在充电的可逆过程中,不溶性放电产物具有较差的导电性,大量堆积造成电池内阻急剧增大,同时固态放电产物向可溶性多硫化物的转化需要较高的活化能,也会降低电池的反应动力学和电池的能量效率。目前,抑制穿梭效应最常用的方法是物理阻挡或化学吸附,虽然类似“体外透析”的被动阻隔方法能够很大程度上减弱穿梭效应,但是还不能从源头上进行解决。近年来,催化效应逐渐被引入到穿梭效应的解决方案中来,其作用原理犹如在人体内注入“活性酶”来实现有毒废物的高效转化一样,催化材料能够“主动”加速多硫化物的快速可逆转化,降低多硫化物与电解液的接触概率,进而提高电池效率。


天津大学杨全红教授与清华大学深圳研究生院吕伟副教授联合团队系统评述了具有催化活性的材料在锂硫电池中的应用,对包括贵金属、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物,非金属材料以及异质结构在内的多种催化活性物质或结构的催化机制进行了详细分析,提出“被动阻隔”到“主动出击”的解决方案。受传统催化脱硫工业的启发,提出“诱捕-扩散-催化转化”的异质结构构建策略,最终提出了锂硫电池中催化活性物质的设计原则:

a). 高活性比表面——可以有效吸附多硫化物并促进放电产物的均匀沉积,有效降低活性催化剂的用量,提高电池的能量密度;

b). 兼具高的离子和电子导通能力——高导电性可以促进电子的快速转移和电池内阻的降低,高离子导通率对于实现多硫化物的快速转化和扩散具有十分重要的意义;

c). 构建高效吸附材料与高催化活性成分构筑的面内/面外异质结——利用材料的化学吸附作用将多硫化物牢牢固定,再利用催化材料实现多硫化物的高效转化,实现多硫化物在电极材料表面平稳的“诱捕-扩散-催化转化”过程,最终获得具有长寿命、高性能的锂硫电池;

d). 多功能——考虑到材料的实际应用价值,低成本材料的设计与高硫负载、高催化活性的有效结合至关重要。

“电化学”可以更“化学”,锂硫电池中催化效应的引入,让电池更“长寿”,对推动锂硫电池的商业化进程具有重要意义。

 
关键词: 锂硫电池 电化学
 

 

 
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