6月8日，從內(nèi)蒙古納米碳材料重點實驗室獲悉，實驗室劉景海教授團隊聯(lián)合國內(nèi)多家高校，成功研發(fā)出柔性電催化納米纖維膜反應器，用以支持鋰硫轉(zhuǎn)化化學、電極模塊化堆疊技術(shù)，可實現(xiàn)實用化高硫負載、高容量和高倍率鋰硫電池制備。團隊相關(guān)研成果已于近日在國際著名材料科學領(lǐng)域的期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表。

該研究由內(nèi)蒙古自治區(qū)納米碳材料重點實驗室聯(lián)合清華大學、華南師范大學、吉林大學、南開大學等區(qū)內(nèi)外等科研團隊共同攻關(guān)完成的，是我區(qū)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的又一重要成果。

劉景海表示，鋰硫電池（Li/S battery）具有理論能量密度高（2600 Wh kg-1）和低成本等優(yōu)勢，吸引了儲能產(chǎn)業(yè)界和能源材料領(lǐng)域廣泛關(guān)注。然而，Li/S轉(zhuǎn)化化學、推進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展任重道遠，這主要因為充放電循環(huán)過程中容量衰減快，安全性及各組元不匹配導致能量密度低的問題。其中，氧化還原反應動力學遲緩、硫（S）有效利用率低、可溶多硫化鋰嚴重穿梭效應及其與鋰負極之間發(fā)生的副反應等是Li/S化學轉(zhuǎn)化過程中的科學瓶頸。

該研究首次報道了一種柔性高導電的TiN–Ti4O7異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維（TiNOC）膜反應器，用于電催化調(diào)制Li/S轉(zhuǎn)化化學。采用實驗結(jié)合DFT理論計算方法探索了TiNOC膜反應器對LiPSs的電催化和化學吸附限域的機制，開發(fā)模塊化電極技術(shù)實現(xiàn)了優(yōu)于商用鋰離子電池的性能。研究發(fā)現(xiàn)，納米纖維中的Ti、N和O原子作為電催化和化學吸附限域的活性位點，加速長鏈LiPS轉(zhuǎn)化和相變動力學、抑制穿梭效應。最優(yōu)吸附構(gòu)型拉長Li-S和S-S鍵鍵長、驅(qū)動電荷沿Ti-S和Li-N鍵轉(zhuǎn)移、有助于化學鍵的斷裂和形成，加速了固態(tài)S8、Li2S2和Li2S的活化轉(zhuǎn)化。模塊化電極構(gòu)造使得硫利用率高達91.20 %、5C高倍率下放電容量為869.10 mA h g-1，200圈穩(wěn)定循環(huán)的容量保持率為92.49 %、平均庫侖效率為99.57 %。高硫負載下（12.00 mg cm-2），在2.26 mA時輸出面積比容量14.40 mA h cm-2，并且在60圈充放電循環(huán)后容量保持率仍高達89.30 %。兩塊串聯(lián)電池可以為60個LED燈泡提供69.00 mWh的能量，可連續(xù)供電1小時以上。

該研究歷時兩年多的積累，與清華大學張躍鋼教授團隊、華南師范大學李偉善教授團隊聯(lián)合攻關(guān)，同時得到吉林大學無機合成與制備化學重點實驗室和南開大學先進能源材料化學教育部重點實驗室開放基金支持。

研究團隊研發(fā)出一種柔性高導電異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜反應器，具有化學吸附、電催化和離子篩功能，可將多硫化鋰限制在納米尺度表面，并加速其可逆轉(zhuǎn)化以催化調(diào)制鋰硫轉(zhuǎn)化動力學。該纖維膜反應器在轉(zhuǎn)化動力學、離子擴散、電子轉(zhuǎn)移方面顯示出優(yōu)異的性能。

研究團隊研發(fā)出一種柔性高導電TiN–Ti 4O 7異質(zhì)核殼結(jié)構(gòu)納米纖維（TiNOC）膜反應器，具有化學吸附、電催化和離子篩功能，可將多硫化鋰限制在納米尺度表面并加速其可逆轉(zhuǎn)化以催化調(diào)制Li/S轉(zhuǎn)化動力學。TiNOC膜反應器在轉(zhuǎn)化動力學、離子擴散、電子轉(zhuǎn)移和LiPS穿梭抑制方面顯示出優(yōu)異的性能。通過采用實驗與DFT計算結(jié)合的研究方法，從化學鍵的斷裂形成及電荷轉(zhuǎn)移角度深入揭示了Ti、N和O活性位點的化學限域和電催化調(diào)控高硫利用率、高倍率容量和高電流密度長循環(huán)容量保持能力的機制。同時，電極模塊化堆疊技術(shù)構(gòu)筑了可實用化、高硫負載、高容量的鋰硫電池，實現(xiàn)了優(yōu)于商用鋰離子電池的性能，為開發(fā)快速充電、高能量、高功率鋰硫電池提供了一條創(chuàng)新途徑。

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