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廣工大輕工化工學院科學成果分享


廣工大輕工化工學院科學成果分享


近日,我校輕工化工學院林展教授團隊在鋰硫電池研究領(lǐng)域取得重要進展,題為“Integrating Conductivity, Immobility, and Catalytic Ability into High-N Carbon/Graphene Sheets as an Effective Sulfur Host”的研究成果發(fā)表在國際能源材料領(lǐng)域的權(quán)威期刊Adv. Mater.(IF=25.809,一區(qū)Top期刊)。林展教授團隊在論文中提出了導電性能/原位錨定/催化轉(zhuǎn)化多硫化物的重要性,為構(gòu)建高性能鋰硫電池硫正極提供了新思路。輕工化工學院林展教授/陳超副教授為論文通訊作者,研究生徐惠芳為論文第一作者,我校為論文唯一署名單位。


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構(gòu)相對于鋰離子電池正極材料,硫電極不僅具有高的理論比容量(1675 mAh g-1),而且資源豐富、價格低廉、環(huán)境友好,近年來得到廣泛關(guān)注。然而,硫和其放電產(chǎn)物硫化鋰(Li2S)較差的導電性、硫電極在充放電過程中可溶性多硫化鋰(LiPSs)的“穿梭效應”以及體積膨脹效應導致的電池容量的不可逆衰減和低的庫倫效率。近5年來發(fā)表的2000篇研究論文中(2014年8月8日-2019年8月8日),~90%的研究論文通常會在電解液中添加硝酸鋰(LiNO3),使其與金屬鋰負極反應,在鋰表面形成固態(tài)電解質(zhì)界面層,阻擋擴散至負極的LiPSs與金屬鋰反應并完成充放電過程。盡管如此,在電解液中添加LiNO3無法從根本上解決LiPSs的溶解-擴散問題。近年來,研究者發(fā)現(xiàn)在硫正極中加入具有催化能力的極性物質(zhì)可以促進LiPSs向Li2S的轉(zhuǎn)化,但這類物質(zhì)通常難以兼具高的導電性及好的LiPSs錨定能力。因此,如何設(shè)計多功能載體,有效解決上述問題并實現(xiàn)硫正極優(yōu)異的電化學性能,成為當前鋰硫電池領(lǐng)域的一個熱點研究問題。建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺不僅需要從技術(shù)上考慮可伸縮性、擴展性、維護性等要求,還需要從搭建系統(tǒng)平臺“成功”的標準考慮,因此項目主要難點在于:


(1)需求變化:企業(yè)自身是動態(tài)發(fā)展的過程,隨著公司內(nèi)外部業(yè)務流程的變化,系統(tǒng)需求也會隨之變化,平臺的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)等多維度交織在一起,給系統(tǒng)設(shè)計、搭建、迭代帶來極大的挑戰(zhàn);


(2) 運營維護:將原有線下的業(yè)務流程(Offline)遷移到線上(Online),給公司原有的業(yè)務流程帶來挑戰(zhàn),包括人員素質(zhì)要求、工作習慣、流程變化等,甚至是管理上阻力等,很有可能導致項目推行效果達不到預期;


(3)商業(yè)模式:無論是從企業(yè)信息化、數(shù)字化,還是從第三方服務角度看,價值鏈重構(gòu)和商業(yè)模式是變化至關(guān)重要。


基于此,林展教授團隊設(shè)計了一種超高氮含量(17.1%)的石墨烯片(NC/G)復合材料作為硫正極載體,實驗結(jié)果和理論計算表明,該載體同時兼具了大孔體積、高導電性,且可以同步吸收轉(zhuǎn)化LiPSs,因此克服了鋰硫電池目前存在的諸多缺點,即使在電解液不添加LiNO3的情況下,高載量硫正極也可以實現(xiàn)優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。基于實驗和理論計算結(jié)果,該論文首次提出并證明優(yōu)異的硫正極載體材料須具備以下三個不可或缺的因素:(i)高的電導率,可以有效促進電荷轉(zhuǎn)移以實現(xiàn)硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化;(ii)載體與LiPSs之間有強的結(jié)合力,防止LiPSs溶解在電解液中,減緩LiPSs的穿梭效應;(iii)豐富的催化反應活性位點,促進LiPSs快速轉(zhuǎn)化為Li2S。這個工作對科研人員在未來研究中合理設(shè)計高效硫載體,實現(xiàn)鋰硫電池硫正極的實用潛能,具有非常重要的指導意義。


論文鏈接:

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


林展教授團隊主要從事新能源及催化新材料的設(shè)計開發(fā)及其應用基礎(chǔ)研究,包括鋰離子電池、鋰硫電池、新型電源、燃料電池以及光/電化學催化等領(lǐng)域。2019年,團隊在能源存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域取得多項創(chuàng)新性科研成果,在國內(nèi)外知名期刊上共發(fā)表SCI學術(shù)論文18篇,其中包括11篇影響因子IF>10的論文(Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Catalysis等期刊),以及2篇化工領(lǐng)域頂級期刊(Chem. Eng. J., Ind. Eng. Chem. Res.)。






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