国家自然科学基金青年项目

用于锂硫电池的过渡金属酞菁@碳催化材料的设计、制备及作用机制研究 

研究内容简介

环境保护的迫切需求正在推动清洁能源在全球范围内的加速部署，并为储能器件的发展提出了越来越高的要求。锂硫电池是一种具有较大发展潜力的新体系二次电池，它以高容量的金属锂（3860 mAh·g^-1）与单质硫（1672 mAh·g^-1）的可逆反应为储能机理，拥有较高的理论能量密度（2500 Wh·kg^-1、2800 Wh·L^-1）。受含硫活性物质物理化学特性的影响，正极材料的设计存在诸多难点。第一，中间产物长链多硫化锂的溶出及穿梭效应引起电池的自放电以及负极的腐蚀和钝化。第二，含硫活性物质在关键液相和液固转化中的反应速率较慢，阻力和过电位较高，“死硫”易伴随循环周数的增加而不断积累。第三，放电终产物硫化锂相对于硫存在约80%的体积膨胀，正极在交变应力的作用下存在快速老化和结构失效的倾向。载硫量的提高将使以上问题变的更为突出，但高载硫量和高面密度正极材料的开发是锂硫电池推广应用的前提条件。含硫活性物质的调控是解决以上问题的关键。

在国家自然科学基金项目的资助下，面向锂硫电池正极含硫活性物质的催化转化，开展了过渡金属酞菁@碳催化材料的设计、制备及作用机制研究。研究了过渡金属酞菁配合物中心金属与外围取代基等关键成分因素与性质的关系，探索了液相自组装等过渡金属酞菁@碳催化材料制备方法及其与产物结构的关系，从含硫活性物质液固转化和固相转化的角度入手揭示了材料的作用机制。进一步的，将研究范畴从过渡金属酞菁配合物扩展到了酞菁二锂，探索了酞菁二锂及其衍生物对金属锂负极的枝晶抑制作用，从电解液溶剂化结构和离子迁移动力学过程等角度揭示了酞菁二锂衍生物的作用机制。结合过渡金属酞菁配合物的硫正极催化作用机理，利用磷化物和硒化物导电性较好的优点，研究了基于过渡金属磷化物和硒化物的锂硫电池正极催化材料，通过非晶转变和离子掺杂优化了材料的电化学性能。在阐明相关科学问题的基础上，本项目的研究成果在高面载硫量条件下提高了正极的硫利用率，获得了较好的倍率性能和循环稳定性。

本项目得到了国家自然科学基金青年项目的资助（22005178）。

项目发表的研究论文

(1)   X. Li, J. Ye, Z. Fu, G. Xia, C. Chen, C. Hu*, Small, 2021, 17, 2101881.

(2)   X. Li, X. Yang, J. Ye, G. Xia, Z. Fu, C. Hu*, Chemical Engineering Journal, 2021, 405, 126947.

(3)      G. Xia; L. Zhang; J. Ye; Z. Fu; X. Li; X. Yang; Z. Zheng; C. Chen*; C. Hu*, Chemical Engineering Journal, 2021, 133705.

(4)   G. Xia, J. Ye, Z. Zheng, X. Li, C. Chen*, C. Hu*, Carbon, 2021, 172, 96-105.

(5)   L. Shi, H. Fang, X. Yang, J. Xue, C. Li, S. Hou*, C. Hu*, ChemSusChem, 2021, 14, 1710-1719.

(6)   J. Ye, X. Li, G. Xia, G. Gong, Z. Zheng, C. Chen*, C. Hu*, Journal of Materials Science & Technology, 2021, 77, 100-107.

(7)   X. Yang, G. Xia, J. Ye, W. Du, Z. Zheng, A. Zhang, X. Li, C. Chen, C. Hu*, Applied Surface Science, 2021, 541, 148632.

(8)       C. Zhao, X. Yang, G. Xia, J. Liu, W. Zhang, J. Xue, S. Hou*, C. Hu*, Applied Surface Science, 2021, 551, 149393.

(9)       X. Li, Z. Fu, J. Wang, X. Zhao, Y. Zhang, W. Liu, Q. Cai*, C. Hu*. Chemical Engineering Journal, 2022, 450, 138112.

(10)   X. Li, X. Zhao, J. Wang, C. Chen, C. Hu*. Carbon, 2023, 201, 307-317.

(11)   J. Ye, Z. Chen, Z. Zheng, Z. Fu, G. Gong, G. Xia, C. Hu. Journal of Energy Chemistry, 2023, 78, 401-411.

(12)   X. Zhao, Y. Zhang, W. Liu, Z. Zheng, Z. Fu, C. Chen, C. Hu*, Advanced Functional Materials, 2023, 202313107.

(13)  W. Liu, Z. Zheng, Y. Zhang, X. Zhao, Z. Fu, J. Ye, X. Li, Y. Li, C. Hu*. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 963, 171130.

(14)  X. Li, C. Chen, Z. Fu, J. Wang, C. Hu*. Energy Storage Materials, 2023, 58, 155-164.