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Advanced Materials | 金属硫电池中电极和电解质的催化作用研究进展与展望

时间:2022-09-30        来源:

近日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所喻学锋课题组和清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授团队合作,在材料领域顶级刊物Advanced Materials在线发表综述文章“Catalytic Effects of Electrodes and Electrolytes in Metal-Sulfur Batteries: Progress and Prospective。文章聚焦高能量密度、低成本的金属-硫电池体系的学术问题和实际应用问题,例如正极多硫化物的溶解-穿梭问题,金属负极的枝晶生长问题等,首次从催化效应的角度系统讨论了硫阴极、金属阳极和电解质的设计策略,并系统地讨论了催化效应在实现高性能金属-硫电池方面面临的挑战和前景。本工作为金属-硫电池领域的新人提供了具有实际应用前景的电催化剂设计策略。喻学锋研究员和周光敏副教授为本文共同通讯作者,曾林超助理研究员为本文的第一作者。

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论文上线截图

(点击文末“阅读原文”可查看论文)

电催化效应在氧还原反应(ORR)、析氢反应(HER)和析氧反应(OER)中起着重要作用。这一策略在锂-硫电池中得到了应用,并已在其他金属-硫电池体系中应用。在硫阴极上,催化效应可以降低硫与金属离子在电化学循环过程中的反应势垒,改善反应的动力学过程,并在充放电过程中实现更高的多硫化物中间体转化率。此外,通过减少多硫化物的扩散时间,可以缓解穿梭效应,提高电池的电化学稳定性和寿命。对于金属阳极,副反应和枝晶的不受控生长构成了挑战。例如,从锂/钠阳极上脱落的一些锂/钠枝晶被称为“死锂/钠”,这些电导能力差的“死锂/钠”的不断产生,从而形成多孔的锂/钠阳极,造成金属阳极在循环过程中电化学性能的不断恶化。为了提高金属阳极的性能,一种有效的催化效应策略是利用具有丰富活性位点的基底来降低金属离子的成核能垒,从而实现金属的均匀沉积,抑制枝晶的生长。


到目前为止,市场上还没有商用的锂-硫电池。锂-硫电池行业目前主要停留在企业和高校的中试规模生产阶段,锂-硫电池的产业和学术研究之间存在着巨大的差距,就像两条平行线。在锂-硫电池的学术研究方面,近几十年来发表了很多论文,取得了丰硕的成果。许多先进的碳材料已经在报道的论文中合成,但大多数难以大规模生产。由于市场上缺乏适合锂离子电池的碳材料,锂离子电池的商业化进程缓慢。此外,在学术研究中,锂-硫电池的库仑效率通常在99%以上,而锂-硫软包电池的库仑效率很难达到98%。虽然硝酸锂添加剂可以缓解这种现象,但它也会导致锂-硫电池的安全风险。此外,虽然电催化剂在锂-硫系统中的应用的基础科学问题已经取得了很大的进展,但对其实际应用的研究还很少。为了加快锂硫电池电催化剂在商用电池中的应用,还需要在实际的应用条件下对电极和电池进行优化设计。

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金属-硫电池的发展现状图

目前,一些文章综述了金属- 硫电池的研究进展,但对催化剂在非锂- 硫电池中的应用研究还较少。此外,这些文章倾向于关注硫阴极的催化作用,而很少关注阳极和电解质的催化作用。然而,高性能的金属- 硫电池需要考虑电池的所有组成部分,如阴极、阳极和电解质。因此,金属-硫电池所涉及的催化效应需要深入探讨,尤其是在未来商用金属-硫电池中的实际应用。本文综述了近年来金属-硫电池催化效应的研究进展。以锂-硫电池和室温钠-硫电池为例,讨论了硫阴极和金属阳极的充放电机理,并从催化效应的角度描述了硫阴极、金属阳极和电解质的设计策略。本文还讨论了钾-硫、钙-硫、镁-硫和铝-硫等其他金属-硫电池。介绍了电催化剂在锂-硫系统领域的实际应用,并对其面临的挑战和前景进行了展望。


PI与课题组简介


喻学锋,中科院深圳先进院研究员、材料界面中心主任、教育部长江学者、百千万工程国家级人才。主要研究方向为新材料和先进制造技术,在二维黑磷、新能源材料、微纳传感材料等领域取得了国际领先的学术成果,近五年在《自然-纳米技术》等刊物发表SCI论文100多篇,论文总引用超1.2万次,拥有授权发明专利70多项,多项成果实现产业化转化。 



来源:中科院深圳先进院


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