澳门金沙娱乐城官网-金沙官网

清潔能源創(chuàng)新應(yīng)用是現(xiàn)代社會發(fā)展的主流，面向清潔交通、信息通訊、航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域日益增長的需求，亟待開發(fā)高能量密度、低成本以及綠色安全的新型儲能裝置。盡管鋰離子電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電子設(shè)備，但是未來仍無法滿足更高規(guī)格新能源車輛、無人機等應(yīng)用對電池高能量密度的要求。基于多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)的鋰二次電池有望成為未來高比能儲能體系應(yīng)用的理想選擇。

在眾多高比能電池體系中，鋰硫電池具有高的能量密度（2600 Wh kg^–1）以及單質(zhì)硫的成本低廉和環(huán)境友好等優(yōu)勢而受到廣泛的關(guān)注。然而，滯后的多電子硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)、多硫化物穿梭效應(yīng)以及鋰金屬負(fù)極的枝晶生長等問題，導(dǎo)致鋰硫電池在倍率性能、循環(huán)壽命以及安全性方面還有待實現(xiàn)創(chuàng)新突破。

近日，材料類頂級國際期刊《Advanced Materials》（《先進材料》，影響因子30.849）報道了北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳人杰教授課題組在高性能鋰硫電池催化材料方面的研究進展，相關(guān)研究成果以“Synergetic Anion Vacancies and Dense Heterointerfaces into Bimetal Chalcogenide Nanosheet Arrays for Boosting Electrocatalysis Sulfur Conversion”為題在線發(fā)表（Advanced Materials, 2022, 2109552. https://doi.org/10.1002/adma.202109552，葉正青博士為第一作者，陳人杰教授為通訊作者）。該研究工作通過對過渡金屬硫族化合物電催化劑的組分和結(jié)構(gòu)調(diào)控，提出了硫原子空位和異質(zhì)界面協(xié)同催化機制，有效改善了鋰硫電池中多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)滯緩的問題，并抑制了多硫化物穿梭效應(yīng)和鋰枝晶的生長（如圖1）。該工作通過鈷鋅雙金屬有機框架的原位生長和高溫氣相反應(yīng)，制備了一系列陰離子空位和異質(zhì)界面共存的過渡金屬硫族化合物納米片陣列結(jié)構(gòu)的電催化劑。實驗分析表明，在制備的九種金屬硫族化合物納米片陣列中，雙金屬硫化物納米片陣列（CoZn-S）具有最豐富的原子級硫空位缺陷和最致密的異質(zhì)界面，進而獲得最優(yōu)的催化活性和電化學(xué)性能。采用球差校正的HAADF-STEM，并結(jié)合同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)以及理論計算分析，提出了CoZn-S中硫原子空位和異質(zhì)界面協(xié)同催化多電子硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的機制。硫原子空位和界面電場可以促進電荷轉(zhuǎn)移，調(diào)控電子結(jié)構(gòu)以及局部配位環(huán)境，在熱力學(xué)上促進了Li₂S的形成，降低了Li₂S分解能壘，同步提高了對硫還原和硫析出的反應(yīng)活性。此外，構(gòu)筑的三維納米片陣列結(jié)構(gòu)提供了高的活性表面積，縮短了離子傳輸途徑，抑制了電催化過程中CoZn-S的體積變化。綜合測試表明，該電池實現(xiàn)了高的放電容量、良好的倍率性能和超長的循環(huán)壽命（1800圈）。在9.2 mg cm^–2的硫載量和3 μL mg^–1的E/S比苛刻的條件下，CoZn-S實現(xiàn)了8.7 mAh cm^–2的高面容量和45圈的穩(wěn)定循環(huán)。該工作提出了集原子級空位缺陷，異質(zhì)界面和結(jié)構(gòu)工程三位一體的普適策略，為設(shè)計先進的雙金屬硫族化合物電催化劑提供了新的研究思路。

圖1（a）CoZn-X合成策略示意圖；（b）CoZn-X催化劑結(jié)構(gòu)示意圖；（c）CoZn-X作為高效硫轉(zhuǎn)化催化劑機理圖。

文獻鏈接：Synergetic Anion Vacancies and Dense Heterointerfaces into Bimetal Chalcogenide Nanosheet Arrays for Boosting Electrocatalysis Sulfur Conversion. Advanced Materials 2022, 2109552. https://doi.org/10.1002/adma.202109552

在前期工作中，葉正青博士在陳人杰教授的指導(dǎo)下，通過調(diào)控過渡金屬化合物的組分和結(jié)構(gòu)，合成了一系列高活性、多功能性以及高穩(wěn)定性的電催化劑。基于電催化的硫正極、夾層和集流體設(shè)計，提高了鋰硫電池中多電子轉(zhuǎn)化動力學(xué)，從反應(yīng)前端抑制了多硫化物的穿梭行為。具體內(nèi)容包括強極性和高電催化活性的金屬硒化物納米多面體及其多維集流體的組裝（Advanced Materials 2020, 32(32): 2002168. IF="30.849," ESI高被引論文；Advanced Science 2021, 9(1): 2103456. IF="16.806），金屬硫族化合物/MXene分級結(jié)構(gòu)電催化劑的構(gòu)筑（Advanced " Materials 2021, 33(33): 2101204. IF="30.849；Chemical" Engineering Journal 2022, 430, 132734. IF="13.273）以及金屬磷化物/碳基復(fù)合微納米結(jié)構(gòu)電催化材料的制備（Nano " Energy 2019, 64, 103965. IF="17.881；Nano " Energy 2020, 70, 104532. IF="17.881）。同時，針對高比能二次電池存在的滯后多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)問題，闡述了構(gòu)筑高活性、高穩(wěn)定性以及多功能性金屬有機框架基電催化材料的有效策略；提出了從金屬有機框架的組分調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，構(gòu)建高比能二次電池的可行思路和有效方法（Nano-Micro " Letters 2021, 13(1): 203. IF= 16.419）。

為解決可溶性多硫化物的穿梭以及放電產(chǎn)物的成核問題，課題組的錢驥博士構(gòu)筑了分級的Mo₂C納米團簇和碳納米片組成的中空納米球（Mo₂C/CHS）鋰硫電池電催化夾層（如圖2a）。Mo₂C/CHS可以加速多硫化物的轉(zhuǎn)化，促進Li₂S₂/Li₂S的快速成核，提高了高載硫和貧電解液下鋰硫電池的電化學(xué)性能（Enhanced Electrochemical Kinetics with Highly Dispersed Conductive and Electrocatalytic Mediators for Lithium-Sulfur Batteries，Advanced Materials 2021, 33(25): 2100810）。同時，針對高比能二次電池的鋰金屬負(fù)極存在的鋰枝晶生長和體積膨脹等問題，葉玉勝博士設(shè)計了一種固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合鋰金屬負(fù)極（如圖2b），不僅顯著增強了機械強度，并促進了鋰成核，有效緩解了鋰枝晶的生成和鋰金屬的粉化，進而提升了高比能鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性（An Antipulverization and High-Continuity Lithium Metal Anode for High-Energy Lithium Batteries，Advanced Materials 2021, 33(49): 2105029）。

圖2（a）Mo₂C、MoO₂以及碳材料表面多硫化物轉(zhuǎn)化反應(yīng)示意圖；（b）抗粉化和高連續(xù)鋰金屬負(fù)極設(shè)計示意圖。

在吳鋒院士的指導(dǎo)下，陳人杰教授課題組近二十年圍繞多電子高比能鋰二次電池的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用開展了系統(tǒng)的探索工作。基于多電子理論研制了高載硫高導(dǎo)電多維穩(wěn)定復(fù)合電極，設(shè)計了輕質(zhì)功能修飾隔膜/夾層，發(fā)明了高安全功能復(fù)合電解質(zhì)材料并構(gòu)筑了3D納米陣列修飾改性鋰負(fù)極，研制開發(fā)出能量密度從300Wh/kg到600Wh/kg不同規(guī)格和性能特征的鋰硫電池樣品，先后在高容量通信裝備、無人機、機器人、新能源汽車等方面開展應(yīng)用。

近期的其它研究成果如下：

1、Small, 2022, 18(2): 2104390; DOI: 10.1002/smll.202104390.（構(gòu)筑親鋰碳通道的功能修飾隔膜，實現(xiàn)鋰沉積的有效調(diào)控。第一作者：徐賽男博士）。

2、Chemical Engineering Journal, 2022, 430: 132678; 10.1016/j.cej.2021.132678. （研制共聚物改性功能隔膜，提升鋰硫電池的熱穩(wěn)定性和安全性。第一作者：魏壯壯碩士和張楠祥博士）。

3、Advanced Energy Materials, 2021, 11(42): 2102454; 10.1002/aenm.202102454.（研制石墨烯碳納米管復(fù)合鋰宿主材料，實現(xiàn)鋰金屬電池的高功率快充特性。第一作者：楊天宇博士）。

4、Small Methods, 2021, 5(9): 2100649; 10.1002/smtd.202100649.（以多孔硫摻雜硒化鈷作為催化材料，碳布為集流體制備了柔性復(fù)合電極，增強了鋰硫電池的倍率性能。第一作者：馮濤博士）。

5、ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(20): 23811-23821; 10.1021/acsami.1c04872.（設(shè)計具有仿生吞噬行為的環(huán)糊精超分子聚合物作為隔膜修飾材料，高效抑制鋰硫電池中多硫化物的穿梭。第一作者：馮濤博士）。

6、Advanced Functional Materials, 2020, 30(30): 2002013; 10.1002/adfm.202002013.（構(gòu)筑了石墨烯負(fù)載金納米粒子復(fù)合親鋰宿主材料，實現(xiàn)了鋰金屬電池穩(wěn)定性的提升。第一作者：楊天宇博士）。

7、Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8(3): 1247-1253; 10.1039/c9ta10965j.（原位制備鋰金屬表面LiF基人工SEI膜，有效抑制鋰枝晶的生長，提高了鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性。第一作者：王麗莉博士）。

8、Advanced Functional Materials, 2020, 30(27): 2000742; 10.1002/adfm.202000742.（構(gòu)筑了金屬鈷基催化劑功能夾層，促進了多硫化物的擴散，提升了貧電解液下鋰硫電池的整體性能。第一作者：錢驥博士）。

9、Advanced Functional Materials, 2020, 31(7): 2006950; 10.1002/adfm.202006950.（構(gòu)筑三維親鋰納米銅骨架材料，納米銅暴露的（100）和（110）晶面表現(xiàn)出極強的親鋰性，有效抑制了鋰枝晶的生成。第一作者：錢驥博士）。

附作者簡介：

葉正青，北京理工大學(xué)材料學(xué)院2018級博士研究生，導(dǎo)師為陳人杰教授。主要研究方向為電化學(xué)儲能材料。目前，以第一作者發(fā)表SCI論文10篇，其中1篇入選ESI高被引論文，包括Advanced Materials (3篇)，Advanced Science, Nano Energy (2篇)，Nano-Micro Letters等材料、化學(xué)與能源領(lǐng)域期刊雜志，累計影響因子超過190，累計引用400余次。申請國家發(fā)明專利3項，授權(quán)1項。博士研究生期間獲得國家獎學(xué)金、北京理工大學(xué)優(yōu)秀博士論文育苗基金、優(yōu)秀研究生標(biāo)兵、學(xué)業(yè)獎學(xué)金特等獎等榮譽和獎勵。

錢驥，北京理工大學(xué)博士，并先后在北京理工大學(xué)、美國馬里蘭大學(xué)和美國勞倫斯伯克利國家實驗室做博士后研究；主要從事新能源材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，包括鋰硫電池，鋰/鈉離子電池的電極和電解質(zhì)材料的開發(fā)和相關(guān)機理研究。以第一作者或通訊作者身份發(fā)表SCI論文14篇，包括Advanced Materials, Materials Today, Advanced Energy Materials等；授權(quán)中國發(fā)明專利5項，美國專利1項；負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金青年項目1項，博士后國際交流計劃派出項目1項，參與國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、美國能源部項目等科研項目。

葉玉勝，博士后，2018年博士畢業(yè)于北京理工大學(xué)，師從吳鋒院士和陳人杰教授；隨后加入美國斯坦福大學(xué)從事博士后研究，指導(dǎo)老師為Yi Cui教授（Precourt Institute for Energy主任）。主要研究方向為高比能鋰硫電池和多功能鋰電池的關(guān)鍵技術(shù)。在國際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文60+篇，包括Nature Energy, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano和Nano Letters等。獲得授權(quán)中國發(fā)明專利7項和授權(quán)PCT/US專利3項。擔(dān)任國際能源期刊Energies的客座編輯，擔(dān)任ACS Nano, Nano Letters和Small等10余種材料/能源/納米等領(lǐng)域期刊的獨立審稿人。

趙騰，博士，北京理工大學(xué)材料學(xué)院預(yù)聘助理教授，圍繞高比能鋰硫電池多維高導(dǎo)電正極材料 開發(fā)、功能化隔膜/夾層構(gòu)建及金屬鋰負(fù)極保護方面開展相關(guān)研究。在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters等國際期刊上發(fā)表SCI論文20余篇，H-Idex 21, 近5年引用次數(shù)1907次，授權(quán)國家發(fā)明專利4項。2014-2018年獲劍橋大學(xué)三一學(xué)院 Krishnan-Ang 全額獎學(xué)金；2018年獲劍橋應(yīng)用研究協(xié)會 CSAR 獎；2019年“博士后國際交流引進項目計劃”；2021年獲北京市技術(shù)發(fā)明獎一等獎(排名14)。

陳人杰，教授、博導(dǎo)，國家部委能源專業(yè)組委員、中國材料研究學(xué)會理事（能源轉(zhuǎn)換與存儲材料分會秘書長）、中國固態(tài)離子學(xué)會理事、國際電化學(xué)能源科學(xué)院（IAOEES）理事、中國化工學(xué)會化工新材料專業(yè)委員會委員、中國電池工業(yè)協(xié)會全國電池行業(yè)專家。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、綠色二次電池資源化再生等方面的教學(xué)和科研工作。主持承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、“863”計劃項目、中央在京高校重大成果轉(zhuǎn)化項目、北京市科技計劃項目等課題。在Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、National Science Reviews、Advanced Materials、Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials等期刊發(fā)表SCI論文300余篇；申請發(fā)明專利118項，獲授權(quán)50項；獲批軟件著作權(quán)12項，出版學(xué)術(shù)專著2部（《先進電池功能電解質(zhì)材料》，科學(xué)出版社，2020年，書號：ISBN 978-7-03-060719-5；《多電子高比能鋰硫二次電池》，科學(xué)出版社，2020年，書號：ISBN 978-7-03-060718-8）。獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、部級科學(xué)技術(shù)一等獎5項。入選教育部長江學(xué)者特聘教授、北京高等學(xué)校卓越青年科學(xué)家、中國工程前沿杰出青年學(xué)者、英國皇家化學(xué)學(xué)會會士、科睿唯安 “全球高被引科學(xué)家”。