基于过渡金属氧化物/碳复合气凝胶构筑高性能锂硫电池

Lithium-sulfur batteries have been the focus of the investigation and development owing to their high theoretical energy density. However, short cycle life with high sulfur loading is the bottleneck problem for the practical application of lithium-sulfur batteries. Volume effect and the uncontrollable diffusion of soluble intermediates formed in the charge/discharge processes trigger the deactivation of active materials and the destruction of lithium metal anode. In view of these problems in lithium-sulfur batteries, the applying project is planned to design light-weight and multifunctional transition metal oxides/carbon-based aerogel for fabricating the high-performance lithium-sulfur batteries. The three-dimensional skeleton structure of the carbon aerogel can spare the utilization of binders and conductive additives, further enhancing the sulfur loading on the cathode. Meanwhile, the porous aerogel can absorb soluble lithium polysulfides and provide sufficient reaction sites. Similarly, the tough aerogel can effectively alleviate the volume effects and guarantee the structural stability of electrode. In addition, the metal oxides matrix can play positive roles in the transformation process of lithium polysulfides by chemical adsorption and catalysis, thus the shuttle effect can be confined with uniform distribution of active materials and efficiently reversible electrochemical reaction. Through systematic structural characterization, electrochemical tests and theoretical calculations, the structure-function relationship between transition metal oxides/carbon-based aerogel and the performance of lithium-sulfur batteries is uncovered. The research contents in this project may provide some new considerations for improving the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries in terms of hybrid supported materials.

锂硫二次电池因具有极高的理论能量密度而成为人们关注和研究的焦点。然而，高负载量下循环寿命短是制约锂硫电池实际应用的瓶颈，造成该问题的主要原因是硫正极的体积效应、可溶性中间产物不可控扩散及引发的活性物质失活和金属锂腐蚀破坏等。本项目拟从载体材料角度出发，设计并制备构筑高性能锂硫电池的轻质多功能过渡金属氧化物/碳复合气凝胶。其中，三维碳气凝胶骨架可以避免粘结剂和导电剂使用，有利于提高硫负载量；多孔结构可以吸附可溶性多硫化锂并提供充足的反应位点；良好的柔韧性可以有效缓解充放电过程中电极的体积效应，保障电极结构稳定；负载的过渡金属氧化物可以借助化学吸附和催化作用抑制穿梭效应，保证活性材料均匀分布，促进电化学反应高效可逆进行。通过系统的结构表征、电化学表征和理论模拟，揭示复合气凝胶的成分和微观结构与锂硫电池间的构效关系。本项目的开展将为设计和制备高性能锂硫电池用载体材料提供新思路。

锂硫二次电池因具有极高的理论能量密度而成为人们关注和研究的焦点。然而，高负载量下循环寿命短是制约锂硫电池实际应用的瓶颈，造成该问题的主要原因是硫正极的体积效应、可溶性中间产物不可控扩散及引发的活性物质失活和金属锂腐蚀破坏等。.为解决以上关键问题，项目从构筑高性能硫正极用载体材料的角度出发，在过渡金属氧化物/碳复合气凝胶、石墨烯基三维复合载体和三维碳-氧化物载体材料方面开展探索研究。主要研究成果如下：.(1)在过渡金属氧化物/碳复合气凝胶方面，探索研究了多孔碳和具有电化学活性过渡金属氧化物构建兼具电荷传递、多硫化锂吸附及催化的复合气凝胶，有助于提高硫正极的电化学可逆性，首周可逆容量可以达到~1600 mAh/g，并显著提高硫正极的结构稳定性和电化学稳定性；(2)在石墨烯基三维复合载体方面，探索研究了一体化构筑石墨烯-过渡金属硫化物-硫复合正极活性材料的可行性和可靠性，实现了硫正极在长期循环过程中的电化学性能保持稳定；(3)在三维碳-氧化物复合载体方面，通过碳纳米管和氧化锰对三维碳的物理化学性质进行调控，可以获得拥有导电、吸附和催化特性的三维复合载体，并在不使用导电剂、粘结剂、集流体的情况下保证硫正极的电化学稳定。与此同时，本项目还系统研究了各类正极载体材料的组成、结构等对锂硫电池电化学性能的影响规律、多硫化锂穿梭效应的控制机制、电化学转化的作用机制，进而实现了制备高性能正极材料并保证锂硫电池在高负载量下长期循环稳定的预期目标。总之，本项目研究成果在研发高性能硫正极用载体材料，推进高比能锂硫电池的研究进程，具有一定的理论和实际意义。.项目研究成果发表英文论文4篇(其中3篇被SCI收录，1篇已接收)，另有1篇已投稿，2篇正在撰写。项目执行期间，参与培养博士研究生1名，硕士研究生3名。