首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
精选内容/技术社群/优惠产品,尽在小程序
立即前往

​乔世璋Nat. Nanotech.:高功率锂||硫电池!

Li||S电池具有高的能量密度,但其功率密度较低,限制了其在快充场景中的应用。在Li||S电池的硫还原反应(SRR)中,电催化剂的活性通常用火山图表示用以描述特定的热力学趋势。但是,目前缺乏大电流密度下SRR动力学趋势的描述方法,从而限制了开发高功率Li||S电池的可能性。

在此,阿德莱德大学乔世璋团队以一系列石墨烯基过渡金属催化剂为例(Fe、Co、Ni、Cu、Zn),依据勒夏特列原理首次提出了SRR反应的动力学趋势。研究发现:SRR的动力学随着催化剂表面多硫化锂浓度的增加而提升,动力学电流(J)和多硫化锂浓度(C)之间对数比值的一阶导数(dlogJ / dlogC)与充放电速率(V)呈现线性关系。通过同步辐射X射线吸收光谱测量和分子轨道理论计算,研究证明了催化剂的反键轨道占据率决定了多硫化物的浓度。因此,可以通过调节轨道占据来改善各种金属催化剂的SRR反应动力学。

同时,利用所建立的动力学趋势,该工作设计了一种纳米复合CoZn/碳催化剂,并将其用于Li||S电池的正极中。相应的Li||S电池在高硫面载(5 mg cm-2)、贫电解液(E/S = 4.8)、高电流密度(8.0 C)的条件下实现稳定循环,体现出超高的功率密度26120 W kgS-1,可以使得锂-硫电池在5分钟之内完成充放电。

图1. SRR动力学趋势的构建总之,该工作研究了Li||S电池的SRR动力学趋势,并考虑了勒夏特列原理。作者表明,增加多硫化物浓度有助于更快的SRR动力学,在此过程中,J和C之间的对数比的一阶导数随V单调增加。因此,可以通过使用催化剂和增加多硫化物浓度来提高SRR动力学。

此外,作者通过原位光谱、基于同步辐射的分析、理论计算和电化学测量对此进行了验证。作者证明了多硫化物浓度由催化剂的反键轨道占据确定,通过调节催化剂的轨道占据可以改善SRR动力学。基于SRR动力学趋势,作者设计了一个由碳材料和CoZn二元团簇组成的纳米复合电催化剂。该催化剂在高硫负载和低电解质条件下,使Li||S扣式电池在8C(即13.4A/gS)的条件下循环1,000次具有高容量保持率和良好的循环稳定性。因此,该工作表明,SRR动力学的基础研究对设计各种纳米复合催化剂以实现Li||S电池系统的高功率性能至关重要。

图2. 高功率密度锂-硫电池的性能

Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering, Nature Nanotechnology 2024

DOI: 10.1038/s41565-024-01614-4

  • 发表于:
  • 原文链接https://page.om.qq.com/page/O-yC7TNIIxjmxZNl8-dj0zkA0
  • 腾讯「腾讯云开发者社区」是腾讯内容开放平台帐号(企鹅号)传播渠道之一,根据《腾讯内容开放平台服务协议》转载发布内容。
  • 如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

相关快讯

扫码

添加站长 进交流群

领取专属 10元无门槛券

私享最新 技术干货

扫码加入开发者社群
领券