Énergiste 2022-03-10 09:29
La batterie au lithium-soufre est considérée comme l’une des plus prometteuses systèmes de stockage d'énergie en raison de sa capacité spécifique théorique élevée (1675 Ma HG-1) et énergie spécifique théorique, riches réserves de soufre élémentaire comme Matériau cathodique dans la terre, prix bas et respect de l'environnement. Malgré ses avantages évidents, la mauvaise conductivité électronique et ionique du soufre, la dissolution du polysulfure de lithium et la lente oxydo-réduction cinétique, la faible charge en soufre, le surpotentiel élevé du sulfure de lithium la nucléation du produit de décharge et la difficulté de la nucléation conduisent à la utilisation inefficace du soufre et le déclin rapide de la capacité, qui sont de sérieux défis pour limiter l’application pratique des batteries au lithium-soufre. En réponse à ce problème, le groupe de recherche du professeur xuliqiang de L'Université du Shandong a utilisé le borate de niobium comme matériau porteur de cathode de soufre concevoir un matériau cathodique à double fonction avec une adsorption chimique et une forte conversion catalytique du polysulfure. Il a été constaté que cela pouvait aider le dépôt tridimensionnel de sulfure de lithium et batterie préparée la capacité de surface peut atteindre 17 MGH cm-2, ce qui montre une excellente application potentiel. Dans le même temps, l'auteur a assemblé une batterie souple pour éclairer allumer la LED et piloter le ventilateur, la possibilité de son application est plus loin vérifié.
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Récemment, le groupe de recherche du professeur xuliqiang du Shandong L'université a préparé des nanoparticules nbb2 par synthèse en phase solide à un niveau inférieur température pour la première fois, et les a appliqués au domaine du stockage d'énergie pour la première fois - en tant que matériau porteur de soufre positif pour le soufre de lithium Batterie, de manière à atténuer "l'effet navette", à favoriser la dynamique transformation du polysulfure de lithium, et guider le dépôt de lithium sulfure. Le mécanisme favorisant la conversion du polysulfure et guidant le lithium le dépôt de sulfure est illustré à la figure 1. Comparé au graphène sous forme de soufre support, les nanoparticules nbb2 accélèrent non seulement l'oxydo-réduction processus de réaction des espèces soufrées et fournir une adsorption chimique plus forte, mais également guider le dépôt tridimensionnel de sulfure de lithium pour éviter le processus d'agglomération et d'oxydation lente du sulfure de lithium. Comparé à D'autres composés à base de niobium, les nanoparticules nbb2 ont une conductivité plus élevée et Sites catalytiques riches, qui peuvent favoriser efficacement l'électrochimie conversion du polysulfure de lithium. Deuxièmement, le borate de nano niobium peut augmenter l'exposition des sites catalytiques d'oxydo-réduction du polysulfure de lithium, réduisant ainsi l'utilisation d'électrolyte et améliorant la faisabilité pratique application. Les atomes de bore (b) et de Nb peuvent adsorber efficacement les polysulfures et renforcer la fonction d'ancrage du polysulfure de lithium. L'auteur a utilisé Technologie XRD in situ pour explorer le mécanisme de conversion des espèces soufrées réaction, et vérifié que nbb2 peut promouvoir efficacement la conversion de polysulfure de lithium et processus de nucléation et de dissolution du lithium sulfure. De plus, l'énergie d'adsorption, la charge différentielle et la la densité des états des polysulfures est calculée en utilisant le premier principe, ce qui révèle en outre le mécanisme de nbb2 favorisant la conversion du lithium polysulfure et guider le dépôt de sulfure de lithium. Cet article était publié dans ACS Nano (doi:10.1021/acsnano.2c01179), une publication internationale revue renommée dans le domaine des nano. Wang Bin, doctorant du l'école de chimie et de génie chimique de l'Université du Shandong, est la premier auteur de cet article.
Figure 1 Diagramme schématique du mécanisme de conversion du soufre promu par nbb2
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Comme le montre la figure 2, la structure de phase pure et le réseau Les informations ont été vérifiées par la technologie de finition XRD et les nanoparticules la structure d'une taille d'environ 10 nm a été confirmée par la morphologie SEM et TEM caractérisation. Les franges du réseau et les plans cristallins ont été analysés par HRTEM, qui a en outre prouvé que la phase pure nbb2 était réussie synthétisé. Lorsqu'il est utilisé pour le support de cathode au soufre, le diagramme de cartographie montre que Nb, B et s sont uniformément répartis. Sur la figure 2h, on peut voir que nbb2 et le soufre ont une interface évidente, qui est due à la différence de densité du nuage électronique entre nbb2 et le soufre. Ils ont une lumière sombre différente contraste sous TEM. Le soufre est de couleur externe plus claire et nbb2 est plus foncé en contraste interne. On peut donc vérifier que le soufre est uniformément distribué sur la surface de nbb2, ce qui fournit les conditions nécessaires pour Adsorption nbb2 et conversion catalytique du polysulfure de lithium.
Figure 2 Caractérisation du matériau Nbb2
diagramme
Subsequently, the author proved that nbb2
can not only promote the reduction process of sulfur to polysulfide, but also
accelerate the oxidation process of polysulfide to sulfur (Fig. 3) by
assembling symmetrical battery and lithium sulfide deposition test. From the fading
experiment of lithium polysulfide, it can be seen that the solution after
adding nbb2 shows faster and more obvious fading of polysulfide color,
indicating its stronger adsorption capacity for polysulfide. In order to
further verify its chemical adsorption, the author tested the XPS before and
after nbb2 adsorbed lithium polysulfide. The results showed that the XPS
shifted to the low energy after nbb2 adsorbed lithium polysulfide, indicating
that the electron cloud near the Nb center decreased, which is a typical Lewis
acid-base effect.
Chiffre
3 Test d'adsorption nbb2 et de polysulfure de lithium catalytique
L'auteur a étudié le mécanisme de nucléation
de dépôt électrochimique de sulfure de lithium par courant chronoampérométrique
méthode, a obtenu sa courbe sans dimension (i/im) 2-t/tm grâce au transitoire I-T
courbe, puis l'a comparée à la courbe théorique sans dimension (i/im) 2-t/tm
courbe de calcul de nucléation instantanée ou de nucléation continue
mécanisme pour juger de son mécanisme de nucléation. La figure 4 montre que nbb2 peut guider
la nucléation instantanée tridimensionnelle du sulfure de lithium, qui
favorise grandement la formation de sulfure de lithium, la barrière de réaction de
la formation de sulfure de lithium est réduite. D’après les résultats SEM, cela peut également être
vérifié que nbb2 peut faire pousser du sulfure de lithium dans une "feuille de fleur"
forme, qui garantit également une dissolution plus simple du lithium
sulfure.
Chiffre
4 Schéma de caractérisation du dépôt guidé de sulfure de lithium nbb2
In order to further verify that nbb2 as a
positive sulfur carrier can promote the conversion of polysulfides and reduce
the activation energy of the reaction, the author calculated the activation
energy by using Arrhenius equation by measuring the CV curves at different
temperatures and according to the position and intensity of the redox peak, and
confirmed the experimental results by calculating the Gibbs free energy (Fig.
5). Then the author tested the performance of the battery. The test results
showed that nbb2, as a sulfur carrier, showed excellent specific capacity and
cycle performance. After 100 cycles at 0.2 C, the capacity was 1014 MAH g-1.
After 1000 cycles at 5 C current density, the average capacity decay rate per
cycle was only 0.057%. When the sulfur load is 16.5 mg cm2, the surface
capacity can reach 17 mah/cm2, which is much higher than the 4mah/cm2 required
for commercial lithium battery applications. Even when the current density
reaches 10C, it can still cycle stably for more than 1000 cycles. The
successful assembly of the soft pack battery further verifies its commercialization
potential, shows excellent specific capacity performance, and can light the LED
lamp and drive the fan to work for a period of time. In order to further study
the mechanism of sulfur transformation during charging and discharging, the
corresponding in-situ XRD characterization was carried out. As the discharge
proceeds, α- The diffraction peak of S8 decreases gradually until it disappears
completely, indicating that α- S8 was effectively and completely converted to
polysulfide, which confirmed the superior conductivity of nbb2 and the
conversion capacity of lithium polysulfide. When the discharge reached about
2.05v, the diffraction peak of Li2S appeared, which proved that nbb2 promoted
electron transfer, accelerated the reduction rate of lithium polysulfide, and
promoted the nucleation of Li2S. During the charging process, the diffraction
peak intensity of Li2S gradually decreases to disappear, indicating that Li2S
has been continuously and completely transformed, indicating that the excellent
catalytic oxidation ability of nbb2 has continuously promoted the
transformation of Li2S. At the end of charging, β- The formation of S8 means
that nbb2 has a good chemical limiting effect on the shuttle effect of
polysulfides.
Chiffre 5 Performances, énergie libre et analyse in situ de la batterie nbb2
[Conclusion]
At relatively low temperature, nano nbb2 with rich active site exposure and high conductivity was prepared by simple solid-state synthesis. As a sulfur carrier material, it can effectively improve the conversion of polysulfides and reduce the reaction kinetics. More importantly, the high conductivity of nbb2 avoids the passivation of the catalyst surface, improves the conversion kinetics of lithium sulfide, guides the deposition of lithium sulfide, and thus obtains a lithium sulfur battery with high capacity and application potential.
Poubelle Wang, Lu Wang, Bo Zhang, Suyuan Zeng, Fang Tian, Jianmin Dou, Yitai Qian, Liqiang Xu*, nanoparticules de diborure de niobium accélérant la conversion du polysulfure et la direction du lithium-soufre à haute capacité surfacique permettant la nucléation du Li2S Piles, ACS Nano, 2022, https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01179
A propos de l'auteur:
Xuliqiang, professeur et doctorant superviseur de l'École de chimie et de génie chimique, Shandong Université, membre senior de la China Chemical Society. Ces dernières années, il a s'est engagé à explorer de nouvelles méthodes de préparation, structures et performances réglementation et application pratique de nouveaux métaux alcalins à haute performance Batteries secondaires, anode et cathode des batteries secondaires au lithium-soufre matériaux et nouveaux matériaux liés à l'électrocatalyse ; Les recherches associées appartient au domaine de recherche frontalier de la synthèse et de la préparation inorganiques chimie, nanomatériaux, électrochimie, structure cristalline et performances, dispositifs et autres sujets interdisciplinaires. Dans les domaines de recherche connexes ci-dessus, il a été publié dans les revues de la Chemical Society, Angew. Chimique. Int. Éd., Adv. Mater., ACS Nano, Matériaux de stockage d'énergie, Nano Today, ACS Energy Lett, Chem. Mater., Nano Recherche, J. Mater. Chimique. A. , petit, etc. publié plus de 100 articles inclus dans SCI et ont été invités à rédiger de nombreux articles de synthèse et de couverture papiers. Les articles pertinents ont été cités par lui plus de 5 800 fois ; 16 brevets d'invention nationaux autorisés; En 2020, il remporte le deuxième prix de Shandong Natural Science (le premier prix).
