合肥光源用户在锂硫电池有机小分子催化剂研究中取得进展
时间 : 2024-06-02     

锂硫电池由于高理论能量密度(2600 Wh·kg-1)而被认为是非常有潜力的下一代储能体系。然而,它们在实际应用中面临了诸多挑战:1、多硫化锂穿梭效应:在充放电过程中形成的可溶性长链多硫化锂能够穿过隔膜,导致活性物质的不可逆损失,从而降低了电池的循环稳定性和库仑效率;2、缓慢的硫反应动力学过程:较慢的硫转化反应影响了电池的放电深度3、锂枝晶生长:在反复的充放电过程中,形成的枝晶不仅会降低电池性能,而且还有可能引发安全性问题。

西南科技大学宋英泽团队制备出一种具有氯桥键的双核铜配合物电催化剂。这种配合物中的两个铜原子由一对对称的氯桥键相连,间距仅为3.5,同时与氮原子等形成了稳定的配位环境。该团队利用国家同步辐射实验室BL07WX射线成像线站对催化剂表面的Li2S进行了高衬度、高空间分辨的三维成像表征,结果表明:双核铜基催化剂表面上的Li2S沉积产率更高,分布更加均匀。相应统计结果显示:Li2S和双核铜基催化剂基底材料的体积占比为26.4%,明显高于Li2S和单核铜基催化剂基底材料的体积占比(18.7%。同步辐射X射线三维纳米成像及电化学测试结果表明:双核铜基催化剂能够突破单核金属中心的活性限制,Li2S的成核与生长反应起到有效的催化作用,从而显著提高了锂硫电池的电化学性能。研究结果显示,在60 wt.%的硫含量、7.7 mg·cm-2的硫载量和4.8 μL·mg-1的电解液用量下,电池展现出了7.8 mA·h·cm-2的高容量。同时,组装成的软包电池在0.2 C的倍率下能够稳定循环300圈。研究工作不仅为锂硫电池体系提供了新的电催化剂模型,而且为解析电催化剂的工作机制提供了研究途径,这对于未来高性能锂硫电池的实用化发展具有重要意义。

相关研究工作以“Chlorine bridge bond-enabled binuclear copper complex for electrocatalyzing lithium–sulfur reactions为题,发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。


图. 分别在Cu-2Cu-1rphenGO衬底上沉积Li2SX射线三维纳米CT成像结果及基于成像数据定量分析得到的不同衬底上Li2S沉积物的统计体积比

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-47565-1