共生型多孔石墨化炭/氮化硼复合载体制备及在锂硫电池正极中的应用

基本信息
批准号:21875028
项目类别:面上项目
资助金额:65.00
负责人:陆安慧
学科分类:
依托单位:大连理工大学
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:何斌,夏吉利,郁晓菲,张玉,叶成玉,石磊
关键词:
锂硫电池多孔炭氮化硼结构调控硫正极
结项摘要

Lithium-sulfur battery is currently one of the most promising secondary batteries. However, the commercialization of Li-S battery is inhibited by serious capacity fading caused by the insulating nature of sulfur, volume expansion, high solubility of lithium polysulfides in electrolytes during charge/discharge proccess. Rational design of the cathode materials is key to fundamentally solve the problem of lithium-sulfur batteries. Considering the combination of the electroconductive, porous and graphitized properties of carbon materials and the light weight, easily adjustable polarity and 2D structure properties of boron nitride, this project aims to investigate on the function-oriented design of carbon/boron nitride paragenesis composites with enhanced conductivity, high porosity and strong polarity. We will clarify the cooperative regulation mechanism of the pore structure, polarity, conductivity, and catalytically active sites in stabilizing the sulfur species through the synergetic triple action of physical adsorption, chemical adsorption and catalytic conversion. The microstructure evolution of the sulfur cathode and the dissolution behavior of polysulfides during the charge/discharge process were investigated using various characterization methods and theoretical calculation. More importantly, the mechanism of interaction between sulfur species and the interfaces of such paragenesis composites will be figured out at the molecular level. Thus, we tend to understand the structure functions (e.g, conductivity, porosity, polarity, etc.) corresponding to the cycle stability and self-discharge behavior of the lithium-sulfur batteries. This study would provide theoretical and experimental basis for further development of a new type of high safety and high performance lithium sulfur batteries system.

锂硫电池极具应用前景,但硫单质不导电、多硫化锂溶解迁移等问题导致锂硫电池稳定性难以满足应用需求。合理设计硫正极材料结构是从源头解决以上问题的有效途径。本项目提出利用炭材料导电、多孔、易石墨化的性质和氮化硼轻质、极性易调、二维层状结构的特点,借鉴“共生”概念,通过合成策略创新,构建无缝连接共生型高导电、高孔隙、强极性石墨化炭/氮化硼复合材料,揭示其孔结构、极性、导电性、表面活性位的协同调控规律;借助物理吸附、化学吸附、催化转化三重作用,协同增效,实现硫物种的高效固载和利用,采用谱学表征结合理论计算,定量分析材料的固硫作用和多硫化锂的溶出行为,在分子水平理解硫物种与载体材料表/界面的相互作用机制,获得材料的导电性、孔隙率、极性等与电池循环稳定性、自放电行为之间的关联规律。解决单质硫作为电极材料稳定性差的问题,提高硫的利用率,建立炭/氮化硼载硫新体系,为构建新型高性能锂硫电池提供指导。

项目摘要

本项目立足合成策略创新,从分子角度设计出发,制备出不同孔隙率以及形貌的炭材料,发展了纳米定制炭材料结构的新方法。通过自催化辅助的自下而上方法调控炭材料的石墨化程度,提升材料的导电性;进一步将具有强极性的杂原子掺杂氮化硼成功地引入到石墨化炭/硫正极体系中,建立了对石墨化炭导电性、杂原子掺杂氮化硼孔道结构及表面性质调控的策略及测试手段,可控制备高孔隙、高导电、强极性硫载体,借助物理吸附、化学吸附、催化转化三重作用,协同增效,实现硫物种的高效固载和利用,解决了单质硫作为电极材料稳定性差、硫利用率低等问题,大幅提升了锂硫电池硫正极的性能;研究了石墨化炭/杂原子掺杂氮化硼复合材料作为新型硫载体对多硫化锂的物理吸附、化学吸附、催化转化作用;发展了原位表征技术(原位XRD、原位拉曼光谱等),对锂硫电池充放电过程中硫物种的相变进行了原位跟踪,揭示了石墨化炭/杂原子掺杂氮化硼载体材料的导电性、孔隙率、极性等与硫正极电化学性能之间的关联规律,为构建新型高性能锂硫电池提供指导。本项目围绕这一方向在ACS Cent. Sci., Adv. Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Nano Res.等期刊共发表SCI收录的研究性论文23篇;申请国内专利11项,获得授权7项。在国际/国内会议中口头报告18次,培养博士研究生4名,硕士研究生4名。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

DOI:10.15957/j.cnki.jjdl.2016.12.031
发表时间:2016
2

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

DOI:10.7498/aps.67.20171903
发表时间:2018
3

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

一种光、电驱动的生物炭/硬脂酸复合相变材料的制备及其性能

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0221
发表时间:2022
4

惯性约束聚变内爆中基于多块结构网格的高效辐射扩散并行算法

惯性约束聚变内爆中基于多块结构网格的高效辐射扩散并行算法

DOI:10.19596/j.cnki.1001-246x.8419
发表时间:2022
5

高压工况对天然气滤芯性能影响的实验研究

高压工况对天然气滤芯性能影响的实验研究

DOI:10.11949/0438-1157.20201260
发表时间:2021

相似国自然基金

1

椰壳基分级多孔炭锂硫电池正极材料的制备及性能研究

批准号:51362009
批准年份:2013
负责人:陈永
学科分类:E0203
资助金额:51.00
项目类别:地区科学基金项目
2

离子液体调控制备纳米硫-石墨烯复合正极及其在高倍率锂硫电池中的应用

批准号:21808228
批准年份:2018
负责人:钱伟伟
学科分类:B0809
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
3

基于“硫/石墨烯/硫”纳米复合结构的新型锂硫电池正极材料的研制

批准号:51562026
批准年份:2015
负责人:王雨
学科分类:E0208
资助金额:40.00
项目类别:地区科学基金项目
4

硫@阵列碳管/三维石墨烯基锂硫电池正极制备及储能研究

批准号:51502135
批准年份:2015
负责人:来琳斐
学科分类:E0203
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目