??近日,天津工业大学纺织科学与工程学院2018级硕士研究生冯阳同学以第一作者在材料科学领域国际著名学术期刊《Energy Storage Materials》(影响因子16.28)上发表综述性论文“Towards High Energy Density Li-S Batteries with High Sulfur Loading: from Key Issues to Advanced Strategies ”。

《Energy Storage Materials》是Elsevier出版社旗下的顶级期刊,在材料科学领域具有权威影响力。天津工业大学纺织科学与工程学院为第一单位,康卫民教授和邓南平博士后等为通讯作者。

通讯作者康卫民教授 图源:天津工业大学

研究背景

近年来,由于对电动汽车(EV),便携式设备和电网存储的迫切需求,高能量,低成本的锂硫电池(LSB)得到了大力的研究。对于电动汽车应用,LSB的面积容量需要达到5 mAh cm-2,才能与最新的锂电竞争。然而,LSB的实际应用受到基础研究与应用要求(例如高硫负荷超过5 mg cm-2,低电解液含量E/S比小于3 μL mg-1)之间科学知识的差距的阻碍。此外,穿梭效应,缓慢的氧化还原动力学和安全问题在高硫负荷条件下将愈发严重。

因此,许多研究人员将研究重点放在高硫负荷下的电化学稳定性和安全性上,这对于构建高能量密度LSB电池具有重要意义。

文章简介

Li-S电池具有超高的理论能量密度(2600 Wh/kg),拥有原材料丰富、价格低廉以及环境友好等优点,被认为是最具吸引力的下一代二次电池之一。

然而,Li-S电池也存在着单质硫导电性差、活性物质利用率低、多硫化物的“穿梭效应”严重,缓慢的氧化还原动力学以及锂枝晶等诸多问题。上述问题的存在阻碍了Li-S电池商业化进程。

该论文主要从Li-S电池的核心问题出发,对近年来Li-S电池的发展方向进行综述,就多硫化物吸附、催化转化和负极保护等方面的最新进展进行了详细阐述,围绕未来Li-S电池发展方向做出了展望,并相应提出了一些切实可行的方案与策略。

在过去的几十年里,研究者们进行了不断地探索,提出了一系列有效策略来解决上述问题。该论文从多硫化物吸附,电催化以及安全角度三个方面综述了最新研究进展,详细分析

了深层次机理,具体如引入中空结构、片状结构等结构设计或制备非电中性材料、极性材料等新型材料,通过物理或化学的作用来抑制穿梭效应;通过引入不同维度的电催化物质加快了氧化还原反应,进一步提升了电池性能;对电解质、隔膜以及负极进行结构设计、材料改性等,来改善电池的稳定性和安全性,为Li-S电池的发展提供了思路。

图源:纺织科学与工程学院

论文指出了现有纳米材料和表征技术在Li-S电池应用研究中存在的问题与挑战,并对Li-S电池材料提出了详细建议。随着新技术的不断发展,有望实现高比能Li-S电池的产业化,推动Li-S电池在智能设备以及电动汽车中的商业化应用。

论文结论

当前,针对高能量密度高安全性LSB的开发迎来了新的阶段。正如本文所概述的那样,解决锂硫电池所面临的问题需要采用多种策略。此外,研究者们首先要把研究过程中的参数提升到一定标准,结合先进的工程技术方法,才能加快高比能锂硫电池商业化的进程。通过数学模型计算,结合先进人工智策略,也将为纳米储能领域的研究提供有力支撑,从而推动高效纳米储能领域的发展。

论文发表的第一单位及作者介绍

近年来,天津工业大学纺织科学与工程学院紧紧围绕国家一流学科建设方向,成立“纺织未来技术研究中心”,面向国家和行业重大需求,不断加强创新,提升人才培养质量,显著提升了纺织学科的国际影响力。

天津工业大学纺织科学与工程学院

近年来,学院承担了国家重点研发计划、国家科技支撑计划、973、863、国家自然科学基金项目等项目100余项,与企业合作攻关项目近千项。近10年获国家级科技奖励10项,获省部级科研成果奖励50余项。每年发表SCI收录学术论文100余篇,申请和授权专利100余项。

本文的通讯作者之一:康卫民,天津工业大学教授,博士生导师,长期从事纳微纤维材料的研究与教学工作。

通讯作者康卫民教授 图源:天津工业大学

康卫民教授主持完成与在研国家自然基金项目2项,参与在研或完成国家级项目8项;获得国家科技进步奖二等奖1项,省部级科技进步一等奖4项,二等奖5项;授权发明18项,参编教材和著作6部,2015年来以第一作者和通讯作者发表SCI收录论文50篇,高被引论文4篇;入选全国纺织青年科技创新领军人才和天津市131创新型人才培养工程第一层次人选;担任Nanoscale,Journal of Power Sources 等多个国际期刊审稿人。

论文链接:Y. Feng, G. Wang, J. Ju, Y. Zhao, W. Kang, N. Deng, B. Cheng, Energy Storage Materials

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.06.043


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