《鋰硫電池正極多孔材料的設計及其固硫機理的研究》是依託大連理工大學,由宋雪旦擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鋰硫電池正極多孔材料的設計及其固硫機理的研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：宋雪旦
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在新的儲能體系中，鋰硫電池是一種極具發展潛力的高能量密度鋰二次電池,然而硫正極在充放電循環中形成易溶於有機電解質的多硫化物並產生“穿梭效應”，導致電池的循環性能差、倍率性能不理想，阻礙了鋰硫電池的實際套用。圍繞解決硫電極存在的關鍵問題，本項目提出以具有結構可設計性、易功能化的新型納米功能材料---共價有機框架（COFs）多孔材料作為電池正極骨架，採用“理論設計-實驗驗證-理論最佳化”的螺旋上升式研究策略，通過量子力學計算和分子動力學模擬，研究COFs多孔材料中拓撲結構、孔徑和功能基團對多硫化物在不同電解質中的溶解性和擴散性能的影響，闡明多孔材料的固硫機理。在理論研究的基礎上，設計開發出有效固硫的COFs多孔正極材料，並通過電化學手段對其電池性能進行測試，驗證理論研究提出的固硫機理。隨著對COFs多孔材料的結構與性能的深入研究，可為鋰硫電池正極多孔材料的結構設計提供理論指導。
結題摘要
近年來，鋰硫電池具有高理論比容量（1672 mAh·g-1）和高比能量（2600 Wh·kg-1）被認為是最有套用前景的新型能源存儲設備之一。鋰硫電池是以硫單質為正極、鋰金屬為負極的二次電池。其中，硫單質具有環境友好、價格低廉和儲量豐富等優點。然而硫正極在充放電循環中形成易溶於有機電解質的多硫化物並產生“穿梭效應”，導致電池的循環性能差、倍率性能不理想，阻礙了鋰硫電池的實際套用。圍繞解決硫電極存在的關鍵問題，本項目提出以具有結構可設計性、易功能化的新型納米功能材料---共價有機框架（COFs）多孔材料作為電池正極骨架，採用“理論設計-實驗驗證-理論最佳化”的螺旋上升式研究策略，通過量子力學計算和分子動力學模擬，研究COFs多孔材料中拓撲結構、孔徑和功能基團對多硫化物在不同電解質中的溶解性和擴散性能的影響，闡明多孔材料的固硫機理。我們構築一系列COFs材料結構，從孔道、功能基團和單原子等角度研究了在不同溶劑中，COFs材料與多硫化鋰的相互作用及其電催化性能。研究發現，孔道中層間的活性位點相比於表面的活性位點更有助於吸附多硫化鋰；在DOL和DME溶劑中，O原子和N原子或兩個O原子的協同作用可以更好的錨定多硫化鋰；金屬Mn和Zn可以很好催化解離Li2S，通過酞菁錨定單金屬原子的COF作為正極不僅表現出較好的M-N-C雙位點錨定Li2Sx分子能力，而且還表現出單原子催化劑的優勢。我們將這一研究策略和結果套用於設計新材料及研究催化性能的本質上。研究成果共發表SCI論文12篇，其中JCR一區8篇，另有2篇論文在審稿中。2019年獲遼寧省自然科學學術成果三等獎。隨著對COFs多孔材料的結構與性能的深入研究，可為鋰硫電池正極多孔材料的結構設計提供理論指導。
