分级核壳结构[M@M'Ox]@C材料可控合成及其组分在锂硫电池中的协同作用机制

Lithium-sulfur battery is one of the most promising energy storage systems, and the dissolution of lithium ploysulfide intermediates and the resulting “shuttle effect” impede the industrialization of lithium-sulfur batteries. Metals and Metal oxides have prominent effect on the inhibition of the “shuttle effect” by accelerating the conversion kinetics of lithium polysulfide. However, the mechanism on the effect of metal and metal oxide on electrochemical performance is still unclear. In this project, the in-situ TXM technique combined with XPS and ex-situ characterization and quantum chemical computation will be employed to investigate the electrochemical reaction kinetics of lithium-sulfur batteries with metal, metal oxides and their composite materials, to reveal the “synergistic effect” of the metal and metal oxides on the conversion of lithium polysulfides. The crystal structure and micromorphology of metals and metal oxides will be rational controlled for preparing hierarchical core-shell hollow structure [M@M'Ox]@C materials, which possess prominent function in physical confinemen, physical/chemical adsorption and accelerated conversion of lithium polysulfides during cycling for lithium-sulfur batteries. Furthermore, the high sensitivity in situ DEMS and FTIR will be used to reveal the evolution mechanism of the electrode/solution interfaces in lithium sulfur batteries. This work will provide important theoretical guidance and practical experience for the preparation of high performance cathode materials of lithium-sulfur batteries, and enrich the theory of catalytic conversion of lithium polysulfides and interfacial electrochemistry in lithium sulfur batteries.

锂硫电池是最具发展前景的高比能储能体系之一，充放电过程中多硫化锂溶解及其引起的穿梭效应等问题是制约锂硫电池应用的关键因素。金属和金属氧化物对加速锂硫电池电化学反应动力学和抑制穿梭效应具有突出作用，然而其作用机制仍不清晰，其作用效能有待进一步发掘。本项目将采用原位透射X射线显微技术(TXM)并结合X射线吸收光谱、非原位测试表征手段及量子化学理论计算，深入研究金属、金属氧化物及其复合材料对锂硫电池电化学反应动力学的影响规律，明晰金属和氧化物对多硫化锂转化的协同作用机制；调控金属与金属氧化物结构形貌并研究其构效关系，获得具备物理限域、物理/化学吸附及加速中间产物催化转化等多重作用的分级核壳空心结构[M@M'Ox]@C储硫材料。利用原位差分电化学质谱(DEMS)和红外技术解析界面演变过程并给出界面稳定性策略。本项目将为高性能锂硫电池材料的设计提供理论支持，并丰富锂硫电池催化转化和界面电化学理论。

锂硫电池是最具发展前景的高比能储能体系之一，充放电过程中多硫化锂溶解及其引起的穿梭效应等问题是制约锂硫电池应用的关键因素。金属和金属氧化物对加速锂硫电池电化学反应动力学和抑制穿梭效应具有突出作用，然而其作用机制仍不清晰，其作用效能有待进一步研究。本项目深入研究了锂硫电池充放电反应机制和反应历程，结合结构形貌和元素分析手段，研究了金属和金属氧化物对锂硫电池电化学反应动力学的影响规律，确定了通过材料组成和结构设计的方法调控反应历程的基本原理和方法；开展了具备物理限域、物理/化学吸附及加速中间产物催化转化等多重作用的分级核壳结构材料的设计和控制合成，探索了构筑稳定高效硫载体以及隔膜的原理和方法，并系统解析了其作用机制；提出的核壳结构正极材料利用金属氧化物的物理限域和催化多硫化锂转化的协同作用提高了电池循环稳定性，利用复合材料中壳层的良好导电性提高材料的电子和离子传输特性；同时，在锂硫电池的工作基础之上，拓展研究了镁硫电池的电极材料和电解液研究。项目成员积极参加学术交流与合作，推荐3名博士研究生到国外进行合作研究，10人次参加国内国际会议。共发表SCI论文33篇（标注基金资助），授权发明专利4项。培养本科生3人，硕士研究生2人，博士研究生9人。受邀在《Science》杂志发表Perspectives论文。为高活性、高稳定性轻金属硫电池电极材料的研究提供新途径和思路，为获得高比能量、高充放电效率和长寿命轻金属硫二次电池提供重要理论和实验基础。