6月8日，從內(nèi)蒙古納米碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲悉，實(shí)驗(yàn)室劉景海教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家高校，成功研發(fā)出柔性電催化納米纖維膜反應(yīng)器，用以支持鋰硫轉(zhuǎn)化化學(xué)、電極模塊化堆疊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)用化高硫負(fù)載、高容量和高倍率鋰硫電池制備。團(tuán)隊(duì)相關(guān)研成果已于近日在國(guó)際著名材料科學(xué)領(lǐng)域的期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表。

該研究由內(nèi)蒙古自治區(qū)納米碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)、華南師范大學(xué)、吉林大學(xué)、南開大學(xué)等區(qū)內(nèi)外等科研團(tuán)隊(duì)共同攻關(guān)完成的，是我區(qū)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的又一重要成果。

劉景海表示，鋰硫電池（Li/S battery）具有理論能量密度高（2600 Wh kg-1）和低成本等優(yōu)勢(shì)，吸引了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)界和能源材料領(lǐng)域廣泛關(guān)注。然而，Li/S轉(zhuǎn)化化學(xué)、推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展任重道遠(yuǎn)，這主要因?yàn)槌浞烹娧h(huán)過程中容量衰減快，安全性及各組元不匹配導(dǎo)致能量密度低的問題。其中，氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩、硫（S）有效利用率低、可溶多硫化鋰嚴(yán)重穿梭效應(yīng)及其與鋰負(fù)極之間發(fā)生的副反應(yīng)等是Li/S化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中的科學(xué)瓶頸。

該研究首次報(bào)道了一種柔性高導(dǎo)電的TiN–Ti4O7異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維（TiNOC）膜反應(yīng)器，用于電催化調(diào)制Li/S轉(zhuǎn)化化學(xué)。采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合DFT理論計(jì)算方法探索了TiNOC膜反應(yīng)器對(duì)LiPSs的電催化和化學(xué)吸附限域的機(jī)制，開發(fā)模塊化電極技術(shù)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于商用鋰離子電池的性能。研究發(fā)現(xiàn)，納米纖維中的Ti、N和O原子作為電催化和化學(xué)吸附限域的活性位點(diǎn)，加速長(zhǎng)鏈LiPS轉(zhuǎn)化和相變動(dòng)力學(xué)、抑制穿梭效應(yīng)。最優(yōu)吸附構(gòu)型拉長(zhǎng)Li-S和S-S鍵鍵長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電荷沿Ti-S和Li-N鍵轉(zhuǎn)移、有助于化學(xué)鍵的斷裂和形成，加速了固態(tài)S8、Li2S2和Li2S的活化轉(zhuǎn)化。模塊化電極構(gòu)造使得硫利用率高達(dá)91.20 %、5C高倍率下放電容量為869.10 mA h g-1，200圈穩(wěn)定循環(huán)的容量保持率為92.49 %、平均庫侖效率為99.57 %。高硫負(fù)載下（12.00 mg cm-2），在2.26 mA時(shí)輸出面積比容量14.40 mA h cm-2，并且在60圈充放電循環(huán)后容量保持率仍高達(dá)89.30 %。兩塊串聯(lián)電池可以為60個(gè)LED燈泡提供69.00 mWh的能量，可連續(xù)供電1小時(shí)以上。

該研究歷時(shí)兩年多的積累，與清華大學(xué)張躍鋼教授團(tuán)隊(duì)、華南師范大學(xué)李偉善教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，同時(shí)得到吉林大學(xué)無機(jī)合成與制備化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和南開大學(xué)先進(jìn)能源材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金支持。

研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種柔性高導(dǎo)電異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜反應(yīng)器，具有化學(xué)吸附、電催化和離子篩功能，可將多硫化鋰限制在納米尺度表面，并加速其可逆轉(zhuǎn)化以催化調(diào)制鋰硫轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)。該纖維膜反應(yīng)器在轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)、離子擴(kuò)散、電子轉(zhuǎn)移方面顯示出優(yōu)異的性能。

研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種柔性高導(dǎo)電TiN–Ti 4O 7異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維（TiNOC）膜反應(yīng)器，具有化學(xué)吸附、電催化和離子篩功能，可將多硫化鋰限制在納米尺度表面并加速其可逆轉(zhuǎn)化以催化調(diào)制Li/S轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)。TiNOC膜反應(yīng)器在轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)、離子擴(kuò)散、電子轉(zhuǎn)移和LiPS穿梭抑制方面顯示出優(yōu)異的性能。通過采用實(shí)驗(yàn)與DFT計(jì)算結(jié)合的研究方法，從化學(xué)鍵的斷裂形成及電荷轉(zhuǎn)移角度深入揭示了Ti、N和O活性位點(diǎn)的化學(xué)限域和電催化調(diào)控高硫利用率、高倍率容量和高電流密度長(zhǎng)循環(huán)容量保持能力的機(jī)制。同時(shí)，電極模塊化堆疊技術(shù)構(gòu)筑了可實(shí)用化、高硫負(fù)載、高容量的鋰硫電池，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于商用鋰離子電池的性能，為開發(fā)快速充電、高能量、高功率鋰硫電池提供了一條創(chuàng)新途徑。

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