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郑州大学付永柱教授团队:杂化有机硫正极材料的最新进展 精选

已有 2123 次阅读 2024-2-29 10:08 |个人分类:AMR Account|系统分类:论文交流

郑州大学付永柱教授团队:杂化有机硫正极材料的最新进展

近日,郑州大学付永柱教授团队的AMR述评文章“Hybrid Organosulfur Cathode Materials for Rechargeable Lithium Batteries”在线发表。文章介绍了近期有机硫正极材料的发展,结合课题组在有机硫领域的深入研究,总结了杂化有机硫正极材料在锂电池中的应用,探讨了有机硫正极实用化所面临的挑战,最后,展望了高性能有机硫电池的发展前景。

关键词:有机硫,杂化材料,正极材料,锂电池

1 文章内容简介

在追求廉价、丰富和高容量正极材料的背景下,硫作为一种具有极高理论容量的非金属元素,近年来得到了广泛的研究。但是,硫及其放电产物电导率差,循环过程中体积变化大, 中间产物多硫化物的溶解度高,这些缺点限制了硫正极的实用性。有机硫材料作为无机硫的补充,因其较高的结构可设计性、成本低等优点而被认为是一种很有前途的有机电极材料。即便如此,有机硫分子固有的高溶解度和缓慢的动力学仍是阻碍其进一步发展的瓶颈。我们课题组在有机硫分子以及有机硫正极体系构建的长期研究中发现,无机组分的引入可以有效调节有机硫材料的特性,从而显著提高有机硫电池的电化学性能。鉴于此,我们对近年来杂化有机硫材料的研究和发展进行了详细总结。

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文章首先介绍了有机硫正极材料的氧化还原机理,并对目前有机硫材料的发展瓶颈进行了详细的讨论。同时强调了通过构建有机-无机复合正极来提高有机硫电池性能的策略。在有机硫分子的设计中,在官能团中引入了氮、氧、硒等杂原子,通过分子水平下电子结构和理化性质的调控,可以从根本上控制有机硫的电化学性能。其次,碳纳米管和石墨烯等导电基质的加入为有机硫化合物提供了丰富的导电网络和有效的物理吸附。此外,引入过渡金属硫化物和氧化物等催化介质,可以通过强极性吸附作用减少可溶性硫物种的溶解,并通过其电催化能力加速有机硫的转化。由此可见,活性有机硫基团与无机材料之间的分子间或原子间相互作用为提高有机硫的电化学性能提供了一种简单实用的解决方案。最后,文章总结了有机硫正极面临的挑战以及高性能有机硫电池的未来发展前景。我们希望该文章能激发人们对设计新型正极材料的兴趣,并为实用的下一代可充电锂电池的设计提供方向。

2 AMR:请问您对该领域的发展有何种愿景?

作者团队:

电化学储能是当前研究的热点话题,在传统无机电极材料发展瓶颈之际,有机正极材料被认为是下一代二次电池有希望的候选者。有机硫作为硫的有机衍生物,具有官能团可调和结构灵活的特点,同时避免了在硫正极中产生的高阶可溶多硫化物。同时,有机硫材料也表现出较弱的电解质依赖性,意味着比无机硫使用更少的电解质,这些优势说明将传统的无机硫进行有机化是一种可行的策略。而杂化有机硫化物,通过将有机材料与无机材料结合的方式,兼顾了二者的优点,表现出优良的电化学特性。可以预见,在低成本和高容量的驱使下,杂化有机硫材料有望在大规模储能中绽放光彩。

3 AMR:请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会?

作者团队:

有机硫正极材料的探索上虽已取得一些成果,但该领域还有待进一步发展。如何通过杂化的策略进一步提高正极的容量,电压,循环性能,倍率性能等,是接下来研究的重点。首先,在复合电极的制备上,需要更有效的催化材料和吸附材料,以提高活性物质的利用率,同时还需进一步优化电极的制备工艺,以实现更高活性物质载量和实用性。此外,在有机硫分子的设计上,考虑杂原子掺杂后对分子性质的影响,如材料的可溶性,放电电压,循环稳定性等。最后,还需要深入研究有机硫参与电化学反应的机理,尤其是杂化电极各组分间的相互作用及其对有机硫电池电化学性能的影响。总之,有机硫作为电极材料目前已经取得了很大的进展,而要将有机硫电池推向实际应用仍需付出更多的努力。

通讯作者简介

付永柱,郑州大学化学学院特聘教授,英国皇家化学会会士,国际先进材料协会会士,河南化学会常务理事,担任能源领域期刊Energy & Environmental Materials副主编,eScience青年编委。2007年博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程专业。2017年回国前在印第安纳大学-普渡大学联合分校担任助理教授。目前承担NSFC-河南联合重点项目、国家自然科学基金面上和河南省创新引领专项课题等项目。研究领域包括高能量电池电极材料、高离子选择性膜材料、及高效催化材料。已在J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem.Adv. Mater.Nat. Commun.PNASAcc. Chem. Res.Chem. Rev.Chem. Soc. Rev.等国际著名期刊上发表论文170余篇。课题组网页:http://www.fuchemlab.org/

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郭玮,郑州大学化学学院教授,博士生导师,长江学者奖励计划青年学者,国产期刊《稀有金属(中、英文版)》及Energy & Environmental Materials青年编委;担任江苏省储能行业协会理事会理事。主持国家自然科学基金面上、青年基金以及河南省科技攻关计划等项目。研究领域包括新型电化学能源材料,高性能锂电池电解液。目前已在J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem.Adv. Mater.Nat. Commun.PNASAcc. Chem. Res.Chem. Rev.Chem. Soc. Rev.等国际著名期刊上发表多篇论文。

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Hybrid Organosulfur Cathode Materials for Rechargeable Lithium Batteries

Xiuqing Zhang, Wei Guo*, and Yongzhu Fu*

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00248

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