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广工大轻工化工学院科学成果分享


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近日,我校轻工化工学院林展教授团队在锂硫电池研究领域取得重要进展,题为“Integrating Conductivity, Immobility, and Catalytic Ability into High-N Carbon/Graphene Sheets as an Effective Sulfur Host”的研究成果发表在国际能源材料领域的权威期刊Adv. Mater.(IF=25.809,一区Top期刊)。林展教授团队在论文中提出了导电性能/原位锚定/催化转化多硫化物的重要性,为构建高性能锂硫电池硫正极提供了新思路。轻工化工学院林展教授/陈超副教授为论文通讯作者,研究生徐惠芳为论文第一作者,我校为论文唯一署名单位。


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构相对于锂离子电池正极材料,硫电极不仅具有高的理论比容量(1675 mAh g-1),而且资源丰富、价格低廉、环境友好,近年来得到广泛关注。然而,硫和其放电产物硫化锂(Li2S)较差的导电性、硫电极在充放电过程中可溶性多硫化锂(LiPSs)的“穿梭效应”以及体积膨胀效应导致的电池容量的不可逆衰减和低的库伦效率。近5年来发表的2000篇研究论文中(2014年8月8日-2019年8月8日),~90%的研究论文通常会在电解液中添加硝酸锂(LiNO3),使其与金属锂负极反应,在锂表面形成固态电解质界面层,阻挡扩散至负极的LiPSs与金属锂反应并完成充放电过程。尽管如此,在电解液中添加LiNO3无法从根本上解决LiPSs的溶解-扩散问题。近年来,研究者发现在硫正极中加入具有催化能力的极性物质可以促进LiPSs向Li2S的转化,但这类物质通常难以兼具高的导电性及好的LiPSs锚定能力。因此,如何设计多功能载体,有效解决上述问题并实现硫正极优异的电化学性能,成为当前锂硫电池领域的一个热点研究问题。建工业互联网平台不仅需要从技术上考虑可伸缩性、扩展性、维护性等要求,还需要从搭建系统平台“成功”的标准考虑,因此项目主要难点在于:


(1)需求变化:企业自身是动态发展的过程,随着公司内外部业务流程的变化,系统需求也会随之变化,平台的各类基础数据、动态数据等多维度交织在一起,给系统设计、搭建、迭代带来极大的挑战;


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基于此,林展教授团队设计了一种超高氮含量(17.1%)的石墨烯片(NC/G)复合材料作为硫正极载体,实验结果和理论计算表明,该载体同时兼具了大孔体积、高导电性,且可以同步吸收转化LiPSs,因此克服了锂硫电池目前存在的诸多缺点,即使在电解液不添加LiNO3的情况下,高载量硫正极也可以实现优异的循环稳定性。基于实验和理论计算结果,该论文首次提出并证明优异的硫正极载体材料须具备以下三个不可或缺的因素:(i)高的电导率,可以有效促进电荷转移以实现硫物质的转化;(ii)载体与LiPSs之间有强的结合力,防止LiPSs溶解在电解液中,减缓LiPSs的穿梭效应;(iii)丰富的催化反应活性位点,促进LiPSs快速转化为Li2S。这个工作对科研人员在未来研究中合理设计高效硫载体,实现锂硫电池硫正极的实用潜能,具有非常重要的指导意义。


论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201906357


林展教授团队主要从事新能源及催化新材料的设计开发及其应用基础研究,包括锂离子电池、锂硫电池、新型电源、燃料电池以及光/电化学催化等领域。2019年,团队在能源存储与转换领域取得多项创新性科研成果,在国内外知名期刊上共发表SCI学术论文18篇,其中包括11篇影响因子IF>10的论文(Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Catalysis等期刊),以及2篇化工领域顶级期刊(Chem. Eng. J., Ind. Eng. Chem. Res.)。






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