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山东大学冯金奎教授AFM：d带中心调控与空间限域设计协同促进锂硫电池硫氧化还原动力学

能源学人 · 公众号 · · 2024-12-18 09:35

正文

【研究背景】

在社会迅速发展的背景下，随着尖端技术的不断推进，新型电池系统的开发需求日益迫切。锂硫（Li-S）电池因其优异的比能量（2600 Wh·kg ^-1 ）、超高理论比容量（1675 mAh·g ^-1 ）、成本优势及环保特性，被广泛认为是下一代可充电电池的有力竞争者。然而，锂硫电池的实际应用仍面临多重技术挑战。(1)硫固有的绝缘特性显著限制了电子传输，导致较大的电极极化，从而影响电池的电化学性能；(2) 硫正极氧化还原反应的动力学较慢，较高的反应壁垒使其理论容量严重受限；(3) 在电池循环过程中，多硫化锂（LiPSs）作为氧化还原反应的中间产物，会因“穿梭效应”在电解液中扩散并引发副反应，导致活性物质的不可逆损失。

【工作介绍】

近日，山东大学冯金奎教授通过d带中心调控与空间限域设计的协同作用，有效抑制了多硫化物的穿梭效应，实现了对多硫化物转化的高效催化。通过自组装与原位硒化策略，在三维MXene空心微球上原位构筑了Ni掺杂的CoSe ₂ 纳米颗粒。该中空结构不仅提供了空间限制，作为物理屏障能够有效减缓多硫化物的穿梭效应。此外，中空结构的设计防止了MXene的自堆积效应，最大限度地暴露了Ni掺杂的CoSe ₂ 纳米颗粒，提供了额外的活性位点并增强了其对多硫化物的吸附能力。电化学测试、理论计算和原位XRD等多种表征表明复合材料展现出优异的多硫化物吸附能力和催化活性。这一研究为空间限域结构设计与电子态调控协同效应开发高性能锂硫电池提供了一种具有潜在应用价值的创新路径。该文章发表在国际顶级期刊 ADVANCED FUNCTIONAL MATEIRALS 上。博士生王正冉为本文第一作者。

【内容表述】

1. 空间约束设计与掺杂工程诱导的电子态调控的协同效应

本研究基于空间约束设计与掺杂工程诱导的电子态调控的协同效应，通过原位自组装与硒化策略，在三维中空MXene微球表面均匀生长了Ni掺杂的CoSe ₂ 纳米颗粒。中空微球结构的设计不仅提供了有效的空间限制，显著抑制了多硫化物的穿梭效应，同时作为物理屏障，提高了循环过程中的结构稳定性。此外，Ni-CoSe ₂ 纳米颗粒的均匀分布确保了活性位点的充分暴露，从而显著增强了其对多硫化物的吸附性能。掺杂工程进一步通过调控电子态，将活性位点的d带中心上移，促进了过渡金属位点与多硫化物之间的杂化作用，加速了多硫化物的转化动力学。

2. 物理屏障-吸附-催化的协同作用

通过电化学测试、理论计算和原位XRD分析验证，复合材料表现出优异的多硫化物吸附能力和催化活性。S@Ni-CoSe ₂ /MXene正极能够有效抑制多硫化物的穿梭效应，同时显著增强其转化反应的动力学过程，从而显著提升锂硫电池的电化学性能。这一综合设计策略为锂硫电池中多硫化物的有效调控提供了新的思路，并为开发高效电极材料奠定了理论和实验基础。

图1. 样品的实验合成步骤和限域催化机理示意图。

图2. 样品的形貌结构表征研究。

图3. 样品在不同温度的制备过程与形貌结构表征。

图4. 样品的结构表征。

图5. 催化剂对多硫化物的吸附性能与反应动力学评估。

图6. DFT理论计算(分子构型、d带中心调控、差分电荷密度、吸附能、解离能)。

图7. 样品的电化学性能表征与原位XRD测试。

Zhengran Wang, Huiyu Jiang, Zhiwei Ni, Chuanliang Wei, Kangdong Tian, Yuan Li, Xinlu Zhang, Shenglin Xiong, Chenghui Zhang, Jinkui Feng, Spatial Confinement Design with Metal-Doped Catalysts: Modulating Electronic-State of Active Sites for Accelerating Sulfur Redox Kinetics in Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials, 2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202416997

通讯作者介绍

冯金奎教授山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，入选国家级青年人才，山东省杰青，泰山学者青年专家，山东大学材料物理化学研究所副所长。1999-2008本硕博毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2008-2012在新加坡国立大学和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，2012年至今在山东大学材料科学与工程学院工作。主要研究从事高能量二次电池材料研究。共发表SCI 论文200余篇，他引9000余次。担任Nature子刊Scientific Reports编委。Nature Publication Group 旗下刊物Scientific Reports 编委、高起点期刊ChemPhysMate编委、Energy& Environmental Materials、Susmat、Rare Metals、Infomat、Tungsten、工程科学学报青年编委，长期招聘博士后。

第一作者介绍

王正冉山东大学材料科学与工程学院2021级博士，研究方向为MXene基新型高性能密度二次电池材料的的设计、制备及性能研究。相关成果发表在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Research、Rare Metals等国际知名期刊（[email protected]）。

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