MOFs衍生的碳/金属氧化物复合材料的设计合成及其在Li-S电池中的应用

Related issues to restrict the performance of Li-S batteries are insulation of sulfur & its discharge products, diffusion of polysulfides and volume expansion of sulfur. It’s greatly expectable but challenging to explore the sulfur-based material as cathode characteristic of outstanding performance and long lifespan. This project is aimed to develop doped carbon/nanosized metal oxide composites as matrix for sulfur. In respect of material synthesis, starting from MOFs consisting of metal ions and organic ligands, synthetic strategies and systems will be investigated to encourage the carbonization and formation of nanosized metal oxides. The effect of experimental parameters will be systematically studied on the porous texture of composites and distribution of metal oxides. Via surface modification of MOFs, other organic molecules will be introduced to render carbon matrix doped with dual elements or rich-content nitrogen. By combination of theoretical simulation, further investigation will be applied to physical and chemical confinement of polysulfides by virtue of various characterization and electrochemical analysis techniques. By optimizing the composite structural configuration，the underlying mechanism to improve the sulfur cathode of Li-S batteries will be probed.

硫及其放电产物的绝缘性、多硫化物在电解液中的扩散和充放电过程中正极的体积膨胀等问题是制约Li-S电池性能的主要因素，开发高容量、长循环寿命的硫正极材料具有重要的理论意义和应用价值。本课题旨在研究一种基于非金属元素掺杂碳与纳米尺寸金属氧化物复合材料的载硫基体。在材料合成方面，以由金属离子和有机配体组成的MOFs结构作为模板，探索碳化和纳米尺寸金属氧化物形成的合成条件与体系，系统研究试验参数对复合材料的孔结构、氧化物分布等性质的影响。并对MOFs材料进行表面改性，引入其他有机分子，实现双元素或富氮掺杂的多孔碳基体。结合计算机模拟，利用多种表征手段和电化学测试，深入研究掺杂碳和金属氧化物对多硫化物的物理和化学束缚作用，优化复合材料的织构构造，探讨提高硫正极材料电化学活性的潜在机制。

碳基复合材料，包括与金属氧化物/硒化物/碳化物等的复合材料，能够集合相应单组分的性能，引起广大研究者的兴趣。本项目主要围绕着过渡金属氧化物/金属硫化物和碳材料及其复合结构等新型能源材料的可控制备与相关储能性能开展研究工作，取得了一系列具有特色的研究成果。主要研究进展如下：.（1）以束缚多硫化物为目标，探索载硫基底材料的新结构和新方法.通过研究材料的动力学反应机理，结合晶体学理论指导材料的合成思路，实现了系列过渡金属化合物与碳的复合结构的精准合成与硫正极材料的电化学性能提升，包括ZnCo2O4@N-RGO、MoSe2@rGO、W2C@N/P-rGO等。.（2）通过摸索对原始隔膜进行材料修饰，系统研究材料的结构特征对锂硫电池性能的影响规律.采用不同材料对隔膜进行修饰，实现隔膜的功能化，通过各种电化学方法系统研究了材料的结构、组成对锂硫电池性能的影响，包括锂离子扩散、电池的倍率和循环性能。.（3）利用配体与金属离子的配位特性形成金属配位前驱物，化学转化获得电化学活性的电极材料。.利用配体与金属离子的配位特性形成配位前驱物，基于其自模板和结构导向的双功能作用，建立了金属氧化物、磷化物材料的普适制备路线，揭示目标产物的化学转变机制，并通过优化材料的成分组合、表面结构，提升了储锂性质。