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5分鐘之內完成充放電：雙金屬催化劑實現高鋰硫電池功率密度
時間:2024-04-19 07:55來源:DeepTech深科技 作者:羅以
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圖 | 喬世璋（來源：喬世璋）
具體而言，他們以一系列碳基過渡金屬催化劑為例，依據勒夏特列原理，首次提出了硫還原反應（SRR）的動力學趨勢。
這一趨勢所描述的內容是：SRR 的動力學會隨著多硫化鋰濃度的增加而提升。也就是說，這兩者之間存在著數學關系。
這個趨勢顯明：可以通過設計相關的催化劑，來提升多硫化鋰的濃度，進而提升 SRR 的動力學。
研究中，課題組通過同步輻射 X 射線吸收光譜測量和分子軌道理論計算證明：催化劑的反鍵軌道占據率，決定著多硫化物的濃度。
因此，可以通過調節催化劑的軌道占據，來提升多硫化鋰的濃度，進而提升 SRR 反應動力學。
利用本次建立的動力學趨勢，該團隊設計出一種納米復合 CoZn/碳催化劑，并將其用于鋰硫電池的正極之中。
這時，在高硫面負載量（5mgcm-2）、貧電解液（E/S=4.8）、高電流密度（8.0C）等條件下，鋰硫電池實現了穩定循環，功率密度高達 26120W kgS-1，這讓鋰硫電池在 5 分鐘之內就能完成充放電。
總的來說，本次工作提出了全新的概念，既實現了深入的機理分析，也實現了極其優異的電化學性能。
預計本次打造的高功率鋰硫電池，在便攜式電子產品和電網儲能系統中具有廣闊的應用前景。
具體而言，它能被用于各種設備，比如手機、筆記本電腦、電動汽車、大規模供電站等。
由于這款鋰硫電池具備高功率的特性，因此非常適用于快速充放電的場景中。例如，當手機沒電的時候，使用這款鋰硫電池，能在幾分鐘之內把手機電量充滿。
再比如，當電動汽車快沒電的時候，可以將汽車駛入充電站。這時，充電站可以針對搭載這種鋰硫電池的電動汽車，在幾分鐘之內完成滿充。
總的來說，這款鋰硫電池的快速充放電特性，將極大地方便人類的日常生活。
事實上，這一研究的相關論文之所以能發在 Nature 大子刊上，也是因為解決了領域內的一個長期難題。
在本次研究開始之前，鋰硫電池已經發展了 20 年左右，它的能量密度很大，比商用鋰離子電池高出 2-3 倍。
但是，鋰硫電池的功率密度依舊很低，即充放電速度很慢。在鋰硫電池 20 年的發展過程中，這一問題始終沒有得到解決。
當下，鋰硫電池每完成一次充放電仍然需要幾個小時，限制了其在快速充放電場景中的應用。
2021 年，喬世璋開始讓學生研究鋰硫電池快充的問題，即如何提升電池的功率密度。
由于該課題組在催化劑設計上擁有較為深厚的基礎，所以他們開始設想：能否利用催化劑來實現鋰硫電池的快速充放電？
因為究其根本：鋰硫電池充放電慢的原因，在于硫的轉化反應慢。而催化劑的實質在于可以降低反應的活化能，從而提升反應的動力學。
由此可見，鋰硫電池和催化劑互相結合，能夠有效解決鋰硫電池充放電速率慢的瓶頸問題。
于是，他們定下了這一目標：利用催化劑實現鋰硫電池的快速充放電。
鋰硫電池的充放電速率，和硫還原反應的動力學相關。因此他們面臨的問題是：硫還原反應的動力學和哪一個參數相關？以及如何調控和優化硫還原的動力學？
要想解決上述問題，就得建立一個硫還原的動力學趨勢。
濃度，是描述動力學的最基本的參數。但是，對于硫還原反應來講，此前很難通過原位監控的方式，來檢測多硫化鋰在催化劑表面的濃度變化。
通過長期摸索之后，該團隊發展出一套原位紫外光譜設備，針對催化劑表面多硫化鋰濃度隨電壓變化的規律實現了原位監測。
以 Fe、Co、Ni、Cu、Zn 等一系列碳基過渡金屬催化劑為例，他們發現硫還原反應的動力學，與多硫化鋰在催化劑表面的濃度相關，即動力學會隨著多硫化鋰濃度的增加而提升。
這意味著需要通過提升多硫化鋰在催化劑表面的濃度，來加快硫還原反應的動力學。
那么，多硫化鋰的濃度是由催化劑的什么性質決定的？設計怎樣的催化劑才是最有效的？
通過理論計算結合同步輻射的手段，課題組從理論和實驗兩個方面，同時驗證了這一規律：即催化劑反鍵軌道的電子占據率，決定著多硫化鋰在催化劑表面上的濃度。而不同催化劑電子軌道的 eg/t2g 數值，與多硫化鋰的濃度線性存在相關性。
為此，他們設計了納米復合 CoZn/碳催化劑，其具有更高的 eg/t2g 數值、以及更高的多硫化鋰濃度。作為一款雙金屬催化劑，它的 SRR 性能明顯優于其它單金屬催化劑。
將其用于鋰硫電池之中，電池的功率密度得到大幅提升，從而可以在高硫負載量和貧電解液的前提下，完成快速的充放電。
（來源：Nature Nanotechnology）
最終，相關論文以《通過過渡金屬/碳納米復合電催化劑工程開發大功率電池》（Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering）為題發在 Nature Nanotechnology（IF 38.3）。
Huan Li 是第一作者，喬世璋擔任通訊作者[1]。
圖 | 相關論文（來源：Nature Nanotechnology）
另據悉，該課題組的研究主要建立在“新材料”“新反應”“新方法”和“新機理”上。
在每一次研究中，喬世璋都會對學生進行宏觀方向上的指導。當學生進行到某一個具體課題的時候，他都會問：“你的課題創新點和亮點在哪？你的工作與之前報道的工作有什么不同之處？你的工作對實際應用有何重要意義？”
“概括來說，我們團隊的工作主要建立在一個‘新’字，爭取對以往的研究進行創新，做一些不同的、讓讀者眼前一亮的課題，同時兼顧性能的提升，實現向實際應用上的邁進。”喬世璋說。
（來源：Nature Nanotechnology）
實際上，在電池的研究上該團隊也開辟了不少其他方向，例如水系電池、固態電池、金屬-硫電池和電池回收等。
喬世璋表示，相信本次工作所提出的快充理念和方法相信也可以應用到其它的電池體系中，目前該團隊也在進行相關的研究。
此外，針對高安全性水系電池的設計、固態電池中電解質的開發、鋰離子電池電極材料回收、高能量密度且快充的金屬-硫電池方向，課題組也在進行相關研究。
除了電池相關的研究之外，在電催化、光催化和理論計算與機器學習方面，該團隊做了大量的研究工作。
喬世璋說：“我們的整體思想是依據一個創新性的課題，結合前沿的表征手段，例如同步輻射、原位光譜、理論計算與機器學習等，開發新材料和新反應、提出新方法、探究化學反應的新機理等。”
憑借在電催化領域深耕多年的基礎，他們曾提出電煉制（E-Refinery）、相關聯單原子催化劑（Correlated Single-atom Catalyst）、表面微環境（Local Environment）對催化的影響、海水直接電解制氫（Direct Seawater Electrocatalysis for Hydrogen production）等新概念，相信會給電化學能源的儲存與轉化帶來一定的指導意義。
(責任編輯：子蕊)
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