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5分鐘之內(nèi)完成充放電：雙金屬催化劑實現(xiàn)高鋰硫電池功率密度
時間:2024-04-19 07:55來源:DeepTech深科技 作者:羅以
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圖 | 喬世璋（來源：喬世璋）
具體而言，他們以一系列碳基過渡金屬催化劑為例，依據(jù)勒夏特列原理，首次提出了硫還原反應(yīng)（SRR）的動力學(xué)趨勢。
這一趨勢所描述的內(nèi)容是：SRR 的動力學(xué)會隨著多硫化鋰濃度的增加而提升。也就是說，這兩者之間存在著數(shù)學(xué)關(guān)系。
這個趨勢顯明：可以通過設(shè)計相關(guān)的催化劑，來提升多硫化鋰的濃度，進而提升 SRR 的動力學(xué)。
研究中，課題組通過同步輻射 X 射線吸收光譜測量和分子軌道理論計算證明：催化劑的反鍵軌道占據(jù)率，決定著多硫化物的濃度。
因此，可以通過調(diào)節(jié)催化劑的軌道占據(jù)，來提升多硫化鋰的濃度，進而提升 SRR 反應(yīng)動力學(xué)。
利用本次建立的動力學(xué)趨勢，該團隊設(shè)計出一種納米復(fù)合 CoZn/碳催化劑，并將其用于鋰硫電池的正極之中。
這時，在高硫面負載量（5mgcm-2）、貧電解液（E/S=4.8）、高電流密度（8.0C）等條件下，鋰硫電池實現(xiàn)了穩(wěn)定循環(huán)，功率密度高達 26120W kgS-1，這讓鋰硫電池在 5 分鐘之內(nèi)就能完成充放電。
總的來說，本次工作提出了全新的概念，既實現(xiàn)了深入的機理分析，也實現(xiàn)了極其優(yōu)異的電化學(xué)性能。
預(yù)計本次打造的高功率鋰硫電池，在便攜式電子產(chǎn)品和電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
具體而言，它能被用于各種設(shè)備，比如手機、筆記本電腦、電動汽車、大規(guī)模供電站等。
由于這款鋰硫電池具備高功率的特性，因此非常適用于快速充放電的場景中。例如，當(dāng)手機沒電的時候，使用這款鋰硫電池，能在幾分鐘之內(nèi)把手機電量充滿。
再比如，當(dāng)電動汽車快沒電的時候，可以將汽車駛?cè)氤潆娬�。這時，充電站可以針對搭載這種鋰硫電池的電動汽車，在幾分鐘之內(nèi)完成滿充。
總的來說，這款鋰硫電池的快速充放電特性，將極大地方便人類的日常生活。
事實上，這一研究的相關(guān)論文之所以能發(fā)在 Nature 大子刊上，也是因為解決了領(lǐng)域內(nèi)的一個長期難題。
在本次研究開始之前，鋰硫電池已經(jīng)發(fā)展了 20 年左右，它的能量密度很大，比商用鋰離子電池高出 2-3 倍。
但是，鋰硫電池的功率密度依舊很低，即充放電速度很慢。在鋰硫電池 20 年的發(fā)展過程中，這一問題始終沒有得到解決。
當(dāng)下，鋰硫電池每完成一次充放電仍然需要幾個小時，限制了其在快速充放電場景中的應(yīng)用。
2021 年，喬世璋開始讓學(xué)生研究鋰硫電池快充的問題，即如何提升電池的功率密度。
由于該課題組在催化劑設(shè)計上擁有較為深厚的基礎(chǔ)，所以他們開始設(shè)想：能否利用催化劑來實現(xiàn)鋰硫電池的快速充放電？
因為究其根本：鋰硫電池充放電慢的原因，在于硫的轉(zhuǎn)化反應(yīng)慢。而催化劑的實質(zhì)在于可以降低反應(yīng)的活化能，從而提升反應(yīng)的動力學(xué)。
由此可見，鋰硫電池和催化劑互相結(jié)合，能夠有效解決鋰硫電池充放電速率慢的瓶頸問題。
于是，他們定下了這一目標：利用催化劑實現(xiàn)鋰硫電池的快速充放電。
鋰硫電池的充放電速率，和硫還原反應(yīng)的動力學(xué)相關(guān)。因此他們面臨的問題是：硫還原反應(yīng)的動力學(xué)和哪一個參數(shù)相關(guān)？以及如何調(diào)控和優(yōu)化硫還原的動力學(xué)？
要想解決上述問題，就得建立一個硫還原的動力學(xué)趨勢。
濃度，是描述動力學(xué)的最基本的參數(shù)。但是，對于硫還原反應(yīng)來講，此前很難通過原位監(jiān)控的方式，來檢測多硫化鋰在催化劑表面的濃度變化。
通過長期摸索之后，該團隊發(fā)展出一套原位紫外光譜設(shè)備，針對催化劑表面多硫化鋰濃度隨電壓變化的規(guī)律實現(xiàn)了原位監(jiān)測。
以 Fe、Co、Ni、Cu、Zn 等一系列碳基過渡金屬催化劑為例，他們發(fā)現(xiàn)硫還原反應(yīng)的動力學(xué)，與多硫化鋰在催化劑表面的濃度相關(guān)，即動力學(xué)會隨著多硫化鋰濃度的增加而提升。
這意味著需要通過提升多硫化鋰在催化劑表面的濃度，來加快硫還原反應(yīng)的動力學(xué)。
那么，多硫化鋰的濃度是由催化劑的什么性質(zhì)決定的？設(shè)計怎樣的催化劑才是最有效的？
通過理論計算結(jié)合同步輻射的手段，課題組從理論和實驗兩個方面，同時驗證了這一規(guī)律：即催化劑反鍵軌道的電子占據(jù)率，決定著多硫化鋰在催化劑表面上的濃度。而不同催化劑電子軌道的 eg/t2g 數(shù)值，與多硫化鋰的濃度線性存在相關(guān)性。
為此，他們設(shè)計了納米復(fù)合 CoZn/碳催化劑，其具有更高的 eg/t2g 數(shù)值、以及更高的多硫化鋰濃度。作為一款雙金屬催化劑，它的 SRR 性能明顯優(yōu)于其它單金屬催化劑。
將其用于鋰硫電池之中，電池的功率密度得到大幅提升，從而可以在高硫負載量和貧電解液的前提下，完成快速的充放電。
（來源：Nature Nanotechnology）
最終，相關(guān)論文以《通過過渡金屬/碳納米復(fù)合電催化劑工程開發(fā)大功率電池》（Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering）為題發(fā)在 Nature Nanotechnology（IF 38.3）。
Huan Li 是第一作者，喬世璋擔(dān)任通訊作者[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Nanotechnology）
另據(jù)悉，該課題組的研究主要建立在“新材料”“新反應(yīng)”“新方法”和“新機理”上。
在每一次研究中，喬世璋都會對學(xué)生進行宏觀方向上的指導(dǎo)。當(dāng)學(xué)生進行到某一個具體課題的時候，他都會問：“你的課題創(chuàng)新點和亮點在哪？你的工作與之前報道的工作有什么不同之處？你的工作對實際應(yīng)用有何重要意義？”
“概括來說，我們團隊的工作主要建立在一個‘新’字，爭取對以往的研究進行創(chuàng)新，做一些不同的、讓讀者眼前一亮的課題，同時兼顧性能的提升，實現(xiàn)向?qū)嶋H應(yīng)用上的邁進。”喬世璋說。
（來源：Nature Nanotechnology）
實際上，在電池的研究上該團隊也開辟了不少其他方向，例如水系電池、固態(tài)電池、金屬-硫電池和電池回收等。
喬世璋表示，相信本次工作所提出的快充理念和方法相信也可以應(yīng)用到其它的電池體系中，目前該團隊也在進行相關(guān)的研究。
此外，針對高安全性水系電池的設(shè)計、固態(tài)電池中電解質(zhì)的開發(fā)、鋰離子電池電極材料回收、高能量密度且快充的金屬-硫電池方向，課題組也在進行相關(guān)研究。
除了電池相關(guān)的研究之外，在電催化、光催化和理論計算與機器學(xué)習(xí)方面，該團隊做了大量的研究工作。
喬世璋說：“我們的整體思想是依據(jù)一個創(chuàng)新性的課題，結(jié)合前沿的表征手段，例如同步輻射、原位光譜、理論計算與機器學(xué)習(xí)等，開發(fā)新材料和新反應(yīng)、提出新方法、探究化學(xué)反應(yīng)的新機理等。”
憑借在電催化領(lǐng)域深耕多年的基礎(chǔ)，他們曾提出電煉制（E-Refinery）、相關(guān)聯(lián)單原子催化劑（Correlated Single-atom Catalyst）、表面微環(huán)境（Local Environment）對催化的影響、海水直接電解制氫（Direct Seawater Electrocatalysis for Hydrogen production）等新概念，相信會給電化學(xué)能源的儲存與轉(zhuǎn)化帶來一定的指導(dǎo)意義。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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