《基於多硫化物擴散行為的鋰硫電池正極材料設計與製備》是依託清華大學，由黃佳琦擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於多硫化物擴散行為的鋰硫電池正極材料設計與製備
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：黃佳琦
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰硫電池系統具有能量密度高，環境友好、原料廉價易得等特點，有望在動力汽車及個人電子設備等領域成為下一代高能電池系統。目前鋰硫電池的實用化仍面臨硫電極性能衰減過快的問題，而多硫化物作為電化學過程中間產物在正負極間擴散帶來的飛梭效應是性能衰減的主因之一。目前，多硫化物擴散行為仍缺乏深入的研究和理解，正極材料缺乏相應的精確結構設計。本課題以多硫化物在正極材料中的擴散為核心，計畫通過原位拉曼及可視化過程研究多硫化物擴散行為與正極材料結構及表面性質、多硫化物擴散阻擋層結構間的關聯。在此基礎上，設計對多硫化物擴散具有限域作用的電極材料結構，並以高比表面積碳納米材料為結構單元進行正極材料的可控制備。計畫開發具有三維導電網路結構、合理孔結構、強韌力學性能等特點，且對多硫化物具有限域作用的高比能量、高循環穩定性鋰硫電池正極材料。
結題摘要
隨著社會的發展，各類電子設備和電動汽車等套用對電池性能的要求不斷提高。鋰硫電池是一種具有高理論能量密度的電池系統，其理論能量密度2600 Wh/kg，為現有鋰離子電池的3-5倍，有望替代鋰離子電池作為下一代儲能系統得到套用。然而，在實用化過程中，鋰硫電池面臨正極活性材料電導率低，中間產物多硫化物遷移導致副反應“遷移效應”等挑戰，導致電池容量快速衰減，系統庫倫效率較低。深入理解鋰硫電池的反應機制，進而設計製備鋰硫電池核心材料，提升電池性能是鋰硫電池實用化過程中的重要挑戰。本項目針對鋰硫電池面臨的挑戰，主要開展了三方面的工作： 1. 針對鋰硫電池中間產物穿梭擴散導致效率低的問題，利用原位可視化及電化學手段研究了多硫化物擴散機制及其導致自放電的現象和抑制方法；並提出選擇性隔膜提高降低副反應的策略，將鋰硫電池庫倫效率提高到95%以上；通過發展帶有導電功能層的隔膜技術，實現了正極界面含硫組分的回收利用，提升了電池的循環穩定性。 2. 針對正極導電性差，硫利用率低的問題，發展了一系列石墨類複合碳材料，利用導電基元的結構設計和元素摻雜，實現了活性硫材料的高效利用以及中間產物的有效吸附；同時利用超長碳納米管作為導電骨架實現活性基元材料的高效組裝，獲得了高硫載量，高容量的鋰硫電池正極材料。 3. 針對實用鋰硫電池所需高載硫、低電解液的需求，研究了鋰硫電池中電解液量、組分對電池穩定性的影響，設計並製備了鋰硫軟包電池，實現了軟包尺度上鋰硫電池關鍵材料的驗證。相關研究深入理解了鋰硫電池反應中間產物的擴散機制，並基於此設計了一系列核心材料。基於本項目的研究成果，已在Adv Mater, ACS Nano, Energy Environ Sci, Nano Lett等國內外期刊上發表SCI 論文30篇（其中一作及通訊作者論文15篇），總他引近1000次。受邀Energy Storage Materials撰寫鋰硫電池隔膜領域綜述一篇，受到廣泛關注。
