《鋰硫二次電池放電機理與性能最佳化的理論研究》是依託東北師範大學，由楊國春擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鋰硫二次電池放電機理與性能最佳化的理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊國春
- 依託單位：東北師範大學
項目摘要,結題摘要,
鋰硫二次電池具有高能量密度、低成本、環境友好等優點，被認為是最具發展潛力的二次電池之一。鋰硫電池放電過程反應非常複雜, 缺少多硫化鋰的結構和光譜數據，實驗上很難確定放電中間產物和放電機理，在很大程度上限制電池性能的改進和提高。此外，新型陽極材料與多硫化鋰相互作用的微觀機理和電子性質也是迫切需要解決的問題。本項目綜合運用結構預測方法、分子動力學、過渡態理論和量子化學手段，同時結合電池領域的最新研究成果，預測各種組分多硫化鋰的結構，計算它們的光譜數據（紫外、紅外、拉曼、光電子能譜、NMR等），通過與實驗對比，研究和確定放電中間產物和放電機理，為電池設計和性能改進提供重要依據。同時，揭示多硫化物與陽極材料（如氧化石墨、氧化鋁等）相互作用的結構與電子性質，探討有利於提高Li2S活性和電導率的過渡金屬和摻雜比例，指導實驗合成和電池設計。
隨著化石能源的日趨枯竭，以及化石能源的過度利用導致環境污染問題日益嚴重，研發可持續發展新能源迫在眉睫。在項目實施過程中，聚焦鋰硫電池關鍵科學問題和圍繞能源材料設計開展研究。鋰硫電池放電過程複雜，存在多硫化物間快速轉化，難於確定放電過程中間產物和放電機理。基於第一性原理計算和結構搜尋，研究了多硫化鋰和Li2S團簇的穩定構型、紅外、拉曼、和電子光譜，為實驗研究鋰硫電池放電過程提供了理論依據；對體相Li2S2在Li-S電池放電過程的角色和作用還沒有達成統一的認識。有研究者認為體相Li2S2是放電過程的中間產物，最終轉化成體相Li2S。另有研究者認為Li2S2和Li2S一同作為最終的放電產物。研究發現Li2S2在放電過程只能作為一種亞穩相，並快速轉化成Li2S固體。該研究解決了Li2S2是Li-S電池放電過程中間產物還是最終產物的這一長期令人困擾的難題；放電過程產生的多硫化物會溶解在電解液中，這些多硫化物會擴散到鋰陰極一側並與之發生還原反應，隨後又擴散到陽極表面並再次被氧化, 如此反覆反應於陰陽極之間, 形成“多硫離子穿梭效應”。因此發現合適的錨固材料對避免硫電極材料流失和提升電池性能至關重要。通過系統計算和分析發現，確定了Li2S團簇與錨固材料（石墨烯、硼摻雜石墨烯、氮摻雜石墨烯）之間的相互作用機理，發現硼摻雜石墨烯是錨固Li2S團簇的理想材料；設計性能優異的鈉離子電池陽極材料是提升鈉離子電池性能的關鍵。項目負責人提出增加過渡金屬碳化物中碳含量來提昇陽極性能的思想，並成功設計穩定的富碳二維鈦碳化合物TiC3。TiC3的基本構築單元為n-聯苯和zigzag鈦原子鏈。TiC3中獨特的n-聯苯單元對鈉離子具有較大的吸附面積和較強的吸附能力，使裸露和功能化的TiC3都具有高的理論容量（1278 mA h g-1）和優異的速率性能。為實驗研發高性能陽極材料提供了新策略。
