中國(guó)科學(xué)院金屬研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)金屬所)科研人員在前期高效鋰硫
電池催化劑研究的基礎(chǔ)上,提出了篩選鋰硫
電池催化劑的新策略。日前,相關(guān)研究成果發(fā)表于《儲(chǔ)能材料》(Energy Storage Materials)。
據(jù)了解,鋰硫電池具有能量密度高、硫單質(zhì)成本低廉和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),在替代鋰離子電池的新一代電化學(xué)儲(chǔ)能體系中極具競(jìng)爭(zhēng)力。硫正極的容量發(fā)揮與復(fù)雜的“固—液—固”多步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緊密相關(guān),尤其是硫化鋰的沉積/解離過(guò)程,貢獻(xiàn)了鋰硫電池正極充放電容量的四分之三,是影響性能的重要過(guò)程。
然而,硫化鋰的絕緣性導(dǎo)致了電化學(xué)過(guò)程需要克服較高反應(yīng)活化能;電化學(xué)過(guò)程中硫化鋰形成是平面生長(zhǎng),造成了電極表面的快速鈍化,從而導(dǎo)致硫化鋰的沉積/解離過(guò)程,動(dòng)力學(xué)緩慢和效率低。
近年來(lái),過(guò)渡金屬基催化劑用于硫正極可有效降低反應(yīng)能壘,促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移,提高活性物質(zhì)的利用率,但放電過(guò)程中,產(chǎn)物硫化鋰會(huì)覆蓋催化位點(diǎn),降低后續(xù)反應(yīng)的電催化活性。電池體系中催化劑誘導(dǎo)的反應(yīng)物(產(chǎn)物)的導(dǎo)電屬性變化對(duì)性能的影響,尚未得到充分的認(rèn)識(shí)和研究。
金屬所科研人員通過(guò)誘導(dǎo)吸附于催化劑表面的硫化鋰的電子結(jié)構(gòu) “絕緣-金屬性”轉(zhuǎn)變,使被硫化鋰覆蓋的催化位點(diǎn)仍可作為電化學(xué)反應(yīng)的界面,從而實(shí)現(xiàn)高的硫化鋰沉積/解離效率。通過(guò)第一性原理計(jì)算,科研人員篩選出單原子銅催化劑作為模型催化劑,反應(yīng)界面快速的電荷轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了硫化鋰由二維平面生長(zhǎng)到三維球狀團(tuán)簇生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變。催化劑誘導(dǎo)的硫化鋰電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使鋰硫電池中催化位點(diǎn)的催化效率得到顯著提高,在高硫負(fù)載下獲得了優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。
上述工作以鋰硫電池體系為例,研究了催化劑誘導(dǎo)的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)物電子態(tài)變化所帶來(lái)的影響,為發(fā)展復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程和電池體系的高效電催化劑提供了新的研究思路。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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