现代工学院张会刚教授课题组提出锂硫电池催化剂设计新策略

发布者:袁敏敏发布时间:2020-06-06

近日,现代工学院张会刚教授课题组报道了在锂硫电池催化剂设计新策略,相关研究成果以“Rational design of a Ni3N0.85 electrocatalyst to accelerate polysulfide conversion in lithium-sulfur batteries”为题发表在“ACS nano”https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09371

由于超高的理论能量密度(2600 Wh kg–1)和低廉的成本,锂硫电池受到持续的关注。然而,目前锂硫电池仍存在很多亟需解决的问题,如多硫化物穿梭引起的容量衰减和活性物质利用率低、转化动力学缓慢等。

1. 阳离子掺杂调控d带的催化过程机理示意图

为了解决上述问题,研究人员从电极结构设计、电解液改性、添加极性多硫化物吸附剂等角度出发来抑制多硫化物穿梭和改善硫正极的导电性能。近年来,张会刚教授课题组围绕多硫化物吸附和催化剂设计展开了一系列研究,通过开发网状结构的极性Co3S4纳米管(Nano Energy 2017, 37, 7–14)和金黄色葡萄球菌衍生的“仿生”双极性结构(Adv. Energy Mater. 2018, 1702373),有效抑制多硫化物穿梭,改善锂硫电池性能。在前期工作的基础上,课题组结合理论计算,通过设计过渡族金属掺杂的催化剂,调控金属d轨道和硫3p轨道之间的相互作用,研究催化过程机理,制备出高活性的多硫化物转化反应催化剂(Adv. Funct. Mater. 2019, 1906661)(图1)。

2. 氮空位缺陷降低多硫化物转化能垒以及Ni3N0.85与多硫化物作用轨道示意图

金属氮化物由于优良的导电性和较强的多硫化物吸附能,在锂硫电池中有着广泛的研究。本工作通过在Ni3N中引入氮空位缺陷,使得Ni3d轨道向费米能级移动,增强了Ni3N与多硫化物之间的作用,从而弱化了多硫化物中的S-S键,使其转化能垒降低(图2)。通过变温CV测试,结合阿伦尼乌斯方程推导,引入氮空位后的多硫化物转化能垒仅为8.11 kJ mol–1,小于Ni3N21.11 kJ mol–1。基于该催化剂设计,在1000圈的长循环过程中,容量衰减仅为每圈0.039%,即使在5.2 mg cm–2的高负载下,依然可以稳定循环100圈。

该论文第一作者为2016级直博生沈子涵。本项目研究得到了国家自然科学基金委(21776121),江苏省杰出青年基金和国家重点研发计划(2017YFA0205700)的资助,该项目理论模拟内容得到了南京大学超算中心的支持和帮助。