新型鋰硫電池及關鍵材料研究

《新型鋰硫電池及關鍵材料研究》是依託廈門大學，由董全峰擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：新型鋰硫電池及關鍵材料研究
• 項目類別：聯合基金項目
• 項目負責人：董全峰
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

本項目針對新一代高比能化學儲能電池的發展要求，結合聯合研究團隊的前期研究成果和技術特點，進行優勢互補。圍繞硫複合材料的反應機理、鋰及鋰合金負極材料的保護機制以及鋰硫二次電池“穿梭效應”等問題，開展高性能硫複合正極材料、高安全長壽命鋰及鋰合金負極材料以及與之相匹配的新型電解液的研製，深入探索鋰硫電池反應機理，發展新型硫複合材料，構建具有高比能、長循環壽命、高安全性的鋰硫電池新體系。

結題摘要

具有更高比能量的電池一直是人們追求的目標，作為下一代高比能化學電源，鋰硫電池已成為研究領域及產業界關注的焦點。這一體系使用硫材料做正極、金屬鋰做負極，其比能量可達現有鋰離子電池的數倍。實際上，自提出將硫作為電池正極材料迄今已有50餘年的歷史，但由於硫是一種電子絕緣體及其反應過程的複雜性，儘管其間人們開展了大量的研究，這一體系至今尚未進入實用領域。本項目針對鋰硫電池存在的關鍵問題，圍繞硫複合材料的反應機理、鋰及鋰合金負極材料的保護機制以及鋰硫二次電池“穿梭效應”等開展研究，取得了重要研究成果。 在硫複合材料方面，首次製備了非碳類介孔Co4N微球作為硫複合電極基體材料，實現了高達95%的載硫量,並取得了優異的電化學性能，該Co4N基體材料對充放電過程中間多硫化物具有更強的親和性、更快的吸附速度、更高的吸附量，是一種理想的硫複合電極基體材料，將硫複合材料提升到了一個新階段；同時明確了“高硫含量”複合材料和“高硫載量”複合電極的“雙高”目標，並研發了具有“雙高”性能的蜂窩狀準二維複合材料。在對硫電極過程機理探索和深入認識的基礎上，設計了一種新型的以MOFs材料為前驅體製備合成的多功能Co-N-GC複合材料套用於鋰硫電池，首次將過渡金屬Co-N的協同催化效應套用於S的氧化還原過程，開發出集電子導電、催化、抑制穿梭等功能於一體的Co-N-GC多功能複合材料，有效克服了活性材料流失、容量衰減問題，抑制了中間產物的穿梭效應，改善了反應過程的動力學，取得了十分優異的電化學性能，首次提出的“多功能、雙催化”的概念，對構築新型高比能電化學儲能系統具有指導意義。在鋰負極保護方面，採用電化學調製的方法在金屬鋰表面形成了大範圍原子平整的鋰表面和分子尺度均勻光滑的SEI膜。FTIR、XPS、XANES及力曲線研究表明該SEI呈現出無機物嵌入、有機物交聯的多層膜狀特徵，有別於常規方法生成的SEI的“馬賽克”結構特徵。大幅度降低了極化和有效地控制了鋰枝晶的生長。發展的原位拉曼研究方法獲得了國家發明專利。