[00704916]锂硫电池电极过程及容量衰减抑制新机理

新型电池在新能源利用开发等服务国家及国防重大需求方面具有极其重要的地位。锂硫电池由于理论能量密度高达2600wh/kg、资源丰富、经济性好和环境友好等优点在世界范围内受到广泛关注，是下一代新型电池的主要研究方向。与锂离子电池不同，锂硫电池中的电极反应是复杂多步氧化还原反应，伴随着固-液-固的转换过程且反应体系的物种变化及相互作用复杂，其物种的多样化和组成状态的动态化是开展相关机制研究的难点，也是提升锂硫电池性能使之实用化的技术瓶颈。在国家863和国家重大专项支持下，瞄准350Wh/kg大容量锂硫电池及电堆研制，该项目主要开展锂硫电池体系相关电极材料在其工作过程中的物种变化规律和过程特性研究，探究真实反映其体系特点的相关机制，建立新的容量衰减抑制策略。主要研究内容和科学发现如下：系统研究了锂硫电池工作条件下主要中间产物及终产物的分布和变化规律，定量分析表征了正极硫活性材料在整个工作过程中的变化状态。首次量化测定了锂硫电池多步氧化还原反应过程中各活性物种的分布状态，发现了在活性物质转化过程中最稳定的中间产物形态，通过对正极不同深度、体相溶出物和不同充放电阶段电化学产物的多维度分析表征，系统完整地探究了活性组分在固-液-固多相体系中的变化规律，构建出较完整的锂硫电池实际工作过程中各主要成分的分布变化图景。发现并揭示了锂硫电池中正极活性材料损失的新机制，首次提出由飞梭效应和硝酸锂添加剂导致的不可逆氧化是活性物质损失的主要途径，完善并发展了锂硫电池体系硫正极电极过程的理论体系。针对锂硫电池的特点，研究了锂金属负极SEI膜在工作过程中的变化机制。首次明确了聚硫锂参与下锂电极界面膜的双层结构，揭示了在锂硫电池体系中锂金属负极在循环过程中界面膜的形成以及稳定化机制，提出了锂负极原位稳定化的新策略，开辟了以锂硫电池为代表的新一代锂金属电池负极稳定化的新研究方向。设计并探究基于功能性基团抑制电池容量衰减的新原理和新途径。首次提出并采用含Lewis酸添加剂和单离子透过功能性电解质膜抑制飞梭效应的策略，验证了通过阻隔效应抑制聚硫离子迁移且改善锂硫电池循环性能的新原理，发明了全氟碳链单锂离子聚合物电解质的相似转变法制备技术，突破了现今大量研究采用的正极复杂纳米结构局域聚硫途径的局限性，引起国内外同行高度关注且显示出良好的应用前景。截止2013年底共发表论文18篇，撰写相关专著1部，累计他用216次，累计SCI他引169次；其中10篇代表性论文累计他用197次，单篇最高他引38次；授权国家发明专利2项。研究成果得到国内外同行高度关注和评价，发表的文章被该领域顶级期刊多次引用，其中Chemical Reviews(影响因子45.7)引用5次，ACS Nano(影响因子12.0)引用3次，Nano Letters(影响因子12.9)引用4次，Nature Communications (影响因子10. 7)引用6次，Advanced Materials(影响因子15. 4)引用2次，Advanced Energy Materials(影响因子14.4)引用5次，Energy & Environmental Science(影响因子15.5)引用6次。研制的电池稳定循环500次，500wh电堆能量密度300wh/kg，达到世界先进水平。