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面向国际学术前沿和国家重大战略需求 大工高性



  大连理工大学蹇锡高院士团队面向国际学术前沿和国家重大战略需求,在新型高性能锂硫电池电极材料研究方面取得新进展。与传统锂电池相比,锂硫电池具有理论能量密度高(2600 W h/kg)、理论容量高(1675 mA h/g)、价格低、环境友好等优点,有望大幅延长手机、无人机、电动车等产品续航续航时间。Sion Power和Oxis Energy等锂硫电池研发公司预测未来锂硫电池能量密度可达500Wh/kg以上,是目前商用锂离子电池两倍。

  但是,硫及其放电产物的低电子导电率和中间产物多硫化锂的溶解、扩散限制了锂硫电池发展和应用。因此,具有孔道结构可调控、导电性优异、比表面积大等特点的多孔材料被认为是理想的锂硫电池正极硫载体。然而,欧洲杯!传统多孔材料只能通过物理吸附抑制多硫化物穿梭,导致电池循环寿命欠佳,而对于杂原子掺杂多孔材料中杂原子对反应动力学影响机制探讨不足。因此,如何通过杂原子本征掺杂制备长寿命、高容量和优异倍率性能的锂硫电池电极材料,正是锂硫电池发展的关键核心问题。

  针对这一问题,蹇院士团队在前期工作基础上,设计合成了系列含芳杂环结构单体,创制了一系列三嗪基聚合物网络材料。通过分子设计可有效调控三嗪基聚合物结构的孔结构、杂原子含量、杂原子类型等微观结构。合理的孔结构有利于离子传输,改善倍率性能;丰富的极性位点可有效吸附多硫化物,大幅延长使用寿命。此外,本文系统研究了N、O杂原子对硫化锂的氧化还原反应的促进作用,随着杂原子增多,电极材料具有更低的成核过电势、核生长过电势、电化学平衡极化电压、实际极化电压,从而具有更高的硫化锂转化效率,减少活性物质损失,有效提高活性物质利用率。结果表明,基于NO-CTF-1锂硫电池正极材料,具有优异的倍率性能(2 C条件下,比容量为678 mA h/g)和优异的循环稳定性(经300次循环充放电过程后,容量保持率高达92%)。相关成果以“Constructing Covalent Triazine-Based Frameworks to Explore the Effect of Heteroatoms and Pore Structure on Electrochemical Performance in Li–S Batteries”为题,发表在高水平期刊Chemical Engineering Journal(If=10.65)。

  研究表明,在分子级别进行精确调控,可以有效改善电极材料电性能,通过深入探讨杂原子对反应动力学影响,从而对新型高性能锂硫电池电极材料的设计与构筑具有指导意义。同时,本研究为制备高倍率性能、长寿命聚合物基锂硫电池提供了新思路,有利于推进低成本、长寿命锂硫电池的发展,为我校功能材料专业的新工科建设提供了有力支撑。

  材料学院博士生张天鹏是该项研究的第一作者,材料学院胡方圆副教授和蹇锡高院士为通讯作者。这一工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省委组织部、大连市科技局等资助支持。