尖晶石型锰基氧化物催化多硫还原/氧化反应研究及锂硫电池应用

Lithium-sulfur batteries are a promising next-generation high-energy battery system. The key challenges for lithium-sulfur batteries are the dissolution and shuttling of polysulfide anions, which cause the active material loss, and the sluggish polysulfide redox kinetics. This project aims to study manganese-based spinels with controllable atomic and electronic structures, their catalysis mechanisms for polysulfide redox reactions in ether-based electrolytes, and their complexes with sulfur for application in lithium-sulfur batteries. The main contents are: (1) manganese-based spinels are obtained through reduction-crystallization method, which produces materials with high specific areas, abundant defects and adjustable crystalline phases; (2) the mechanisms of manganese-based spinels adsorbing polysulfides in ether-based electrolytes and catalyzing their electrochemical reactions are studies; (3) the complexes with sulfur are used as cathode materials for lithium sulfur batteries and their performances are studied. This project is expected to propel the building up of polysulfide catalytic chemistries and explain the key scientific problems in lithium-sulfur batteries. This project has important theoretical meanings and practical values for the construction of high-performance lithium-sulfur batteries.

锂硫电池是极具潜力的下一代高比能二次电池。多硫溶解和穿梭导致的活性物质损失以及缓慢的多硫还原/氧化反应动力学，是高性能锂硫电池面临的核心挑战。本项目拟研究表面原子和电子结构可控的尖晶石型锰基氧化物对多硫还原/氧化反应的催化机制及其载硫复合材料在锂硫电池中的应用基础研究。具体包括以下内容：（1）基于温和条件下的“还原-转晶”法，获得高比表面、高缺陷、组分和晶相可控的尖晶石型锰基氧化物，实现材料表界面原子和电子结构的调控;（2）探索尖晶石型锰基氧化物在醚类等有机溶剂体系中催化多硫还原/氧化的动力学和反应路径，阐明多硫还原和多硫氧化对立统一的催化反应机制;（3）基于尖晶石型锰基氧化物载硫复合材料，构建长循环、低自放电、高体积能量密度的锂硫电池新体系。本项目的实施将推动多硫化学催化体系的建立，深刻阐释锂硫电池关键科学问题，对高性能锂硫电池的构建具有重要的理论意义和实际应用价值。

尖晶石型氧化物是一类重要的催化剂材料。本项目探索尖晶石型氧化物的可控制备，对于多硫化锂氧化还原反应的催化作用机制，及其在锂硫电池中的应用。通过尖晶石型氧化物的在碳布上的可控沉积和形貌调控，获得了具有良好分散性和大比表面积的尖晶石氧化物纳米片阵列，采用扫描电子显微镜、EDS能谱仪、X射线衍射、比表面积测试其和热重分析技术，对材料进行了充分的表征。采用多硫化锂溶液吸附实验、XPS光电子能谱、紫外可见光谱分析、循环伏安法和电化学阻抗等手段，揭示了尖晶石型氧化物对多硫化锂的强吸附作用和良好催化作用，有效提高了多硫化锂转化的电化学动力学，改善了电池的比容量、循环和倍率性能。本项目还探索了过渡金属氢氧化物在锂硫电池中对多硫化锂吸附和催化作用机制，高镍正极材料的双包覆策略在锂离子电池中的应用以及新型聚合物材料在固态锂电池中的的应用。通过连续电极涂布和叠片式软包电池的研究方法，进一步验证了材料在实际应用中的可行性和前景。