双层核壳钴基化合物@碳材料对锂硫电池中多硫化锂的催化转化

Due to its low energy density (420 Wh kg-1), lithium ion battery based on built-in lithium compounds cathode can no longer satisfy the requirement of rapid development of electronic industry and electric car industry. Therefore, it is urgent to find a battery system with higher energy density. Lithium-sulfur batteries, with a very high energy density (2500 Wh kg-1), enjoy great potential among the various energy storage technologies. However its commercial applications are limited because of the speedy capacity fading caused by the liquid polysulfide lithium shuttle effect during the cycling. For this problem, this project intends to suppress the polysulfide lithium shuttling between the two electrodes by constructing the core-shell cobalt-based compound @ carbon materials, which will accelerate the transition of liquid polysulfide lithium to the solid lithium sulfide. Such cobalt-based compounds (oxides, sulfur compounds, hydroxides) with strong binding energy to the polysulfide lithium are selected by the first-principles calculation. And the core-shell cobalt-based compound @ carbon materials are constructed and modified by the hydrothermal-template method. Studying the electrochemical performance of the lithium-sulfur battery cathode materials (core-shell cobalt-based compound @ carbon materials) can help reach the goal of accelerating the polysulfide lithium phase transition and effectively suppressing the shuttle effect.

嵌锂化合物正极的锂离子电池的较低能量密度（420 Wh kg-1），已不能满足高速发展的电子工业和新兴的电动汽车等行业的要求,寻求具有更高能量密度的电池系统迫在眉睫。因锂硫电池具有极高的能量密度（2500 W h kg-1），在众多储能技术中极具应用潜力。然而锂硫电池循环过程中产生的液相多硫化锂的穿梭效应导致的容量衰减过快，限制了其商业应用。针对多硫化锂的穿梭效应，本项目拟通过构筑双层核壳钴基化合物@碳材料来加速多硫化锂相变，促进液相多硫化锂向固相Li2S转化，抑制多硫化锂在两极间的穿梭。首先利用第一性原理计算筛选出对多硫化锂有较强结合能的钴基化合物包括氧化物、硫属化合物、氢氧化物，通过水热与模板法相结合构筑和优化双层核壳钴基化合物@碳材料，研究其作为锂硫电池正极材料时的电化学性能，达到加速多硫化锂相变和有效抑制穿梭效应的目的。

当前商业应用的锂离子电池因较低能量密度已不能满足高速发展的电子工业和新兴的电动汽车等行业的要求,寻求具有更高能量密度的电池系统迫在眉睫。极高理论能量密度（2600 Wh/kg）以及正极S的廉价、环境友好和储量丰富使锂硫电池成为一种低成本、高能量且最有望替代锂离子电池的储能技术。然而锂硫电池循环过程中产生的液相多硫化锂的穿梭效应导致的容量衰减过快，限制了其商业应用。针对多硫化锂的穿梭效应，项目通过简易的溶剂热与保护气高温退火法成功合成了多层核壳结构NiCo2S4化合物@碳材料，仔细探究了合成体系中不同溶剂热条件下以及不同保护气高温退火过程对多层核壳结构的影响，研究发现多层核壳结构是Ar气气氛下退火过程中有机物氧化降解产生的收缩力和粘附力以及有机物分解释放出的CO2气体的综合效应。经研究表明该多层核壳结构NiCo2S4化合物@碳材料具有优异的储能性能。随后以室温无模板法合成了多功能Co3O4纳米管，该结构被证明能够提供足够的活性位点，缓冲放电/充电过程中的体积膨胀，有效吸附并催化转化可溶性多硫化锂（LiPSs），提升锂硫电池性能。针对项目计划的锂硫电池中间产物LiPSs的催化转化，我们同时开发了氮、硫双改性碳纳米管包覆Co3S4与原位生长的氮改性碳纳米片与纳米管复合物包覆Ni纳米粒子两种电催化剂，实现了对LiPSs的高效催化，促进其相变并有效提升了锂硫电池性能。为了深入研究催化机制，我们设计合成了N，S双改性介孔碳纳米片与富硫缺陷MoS2电催化剂，通过理论模拟与化学实验相结合明确了LiPSs的催化转化机制。项目的深入研究为构筑新型电催化剂提供了实验方法，为解决锂硫电池穿梭效应提供了新见解。