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见解独到!谢佳教授组最新EER综述:硒或碲用于高性能锂/钠硫电池共熔加速剂

已有 310 次阅读 2020-11-26 15:47 |系统分类:科研笔记


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Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》,简称EER),该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域的最新科研成果和动态,促进国内、国际的学术交流,设有专题综述和一般综述栏目。EER是国际上第一本专注电化学能源的英文综述性期刊。EER覆盖化学能源转换与存储所有学科,包括燃料电池、锂电池、金属-空气电池、超级电容器、制氢-储氢、CO2转换等。EER为季刊,每年3月、6月、9月以及12月出版。创刊号在2018年3月正式出版。

2018年6月,经过激烈角逐(87选20),EER成功入选由中国科协、财政部、教育部、国家新闻出版署、中国科学院、中国工程院等六部门联合实施的中国科技期刊国际影响力提升计划D类项目,进入新刊国家队阵列。

2018年1月1日后发表在EER上的文章将收录于:

· Science Citation Index Expanded(SCIE)

· Journal Citation Reports Science

· Current Contents / Physical, Chemical, & Earth Sciences


见解独到!谢佳教授组最新EER综述:硒或碲用于高性能锂/钠硫电池共熔加速剂

近日,华中科技大学(Huazhong University of Science and Technology)谢佳教授课题组在Electrochemical Energy Reviews期刊上发表题为“Selenium or Tellurium as Eutectic Accelerators for High Performance Lithium/Sodium-Sulfur Batteries”的综述论文,系统讨论了硒/碲作为共熔加速剂在锂/钠硫电池中的研究现状和发展方向。

全文链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-020-00072-5 


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文章题目:Selenium or Tellurium as Eutectic Accelerators for High-Performance Lithium/Sodium–Sulfur Batteries

作者:Shuping LiWei ZhangZiqi Zeng, Shijie Cheng & Jia Xie*

关键词:Selenium; Tellurium; Eutectic accelerator; Sulfur battery; Kinetics

引用信息:Li, S., Zhang, W., Zeng, Z., Cheng, S., Xie, J. Selenium or Tellurium as Eutectic Accelerators for High-Performance Lithium/Sodium–Sulfur Batteries. Electrochem. Energ. Rev. 3, 613–642 (2020). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00072-5 


综述亮点

1、系统总结并分析了不同反应机制下的硫正极改性策略及其局限;

2、总结了硒/碲作为电极材料的电化学特性,并提出了硒/碲在硫正极中作为共熔加速剂的概念及其优势

3、系统总结了共熔加速剂在改善硫正极反应动力学方面的作用及其在锂/钠硫二次电池中的应用。


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前言

由于其极高的理论能量密度,锂/钠硫电池被认为是最具应用前景的下一代电池体系之一。然而,硫的绝缘性和中间产物多硫化物在液态电解液中的可溶性导致活性物质利用率低、循环倍率性能差和循环寿命有限。基于此,在硫正极中使用硒(Se)或碲(Te)作为共熔加速剂可以显著提高电池性能。Se和Te不仅可以简单地通过热处理方式形成S-Se或S-Te键,以实现硫正极中分子水平的均匀分散,显著加速反应动力学,使得Li/Na-S电池表现出优异的电化学性能,同时可以通过自身的氧化还原反应贡献容量,能保持硫正极的高比容量。


表1:硫族元素的物理和电化学性质对比


内容简介

Abstract

1.     Introduction

2.     Electrochemical behaviors of sulfur cathodes

2.1  Electrochemical features of the dissolution-deposition mechanism

2.2  Electrochemical features of the solid-state conversion mechanism

3.     Concept and influence of eutectic accelerators

3.1  Electrochemical properties of Se cathodes

3.2  Electrochemical properties of Te cathodes

3.3  Eutectic accelerators

3.4  Effects of Se or Te as eutectic accelerators on electrochemical properties of active materials 

4.     Se or Te as eutectic accelerators in Li-S batteries

4.1  Sulfur/carbon composites under the dissolution-deposition mechanism as cathdodes Li-S batteries

4.2  Organosulfur-based cathodes based on the dissolution-deposition mechanism in Li-S batteries

4.3  Solid-state conversion mechanism in Li-S batteries

4.4  All-solid-state Li-S batteries

5.     Eutectic accelerators applied in Na-S batteries

6.     Summary and outlook

本文系统地讨论了少量Se/Te掺杂的硫正极(SexS1-x和TexS1-x)中,Se/Te作为共熔加速剂对硫正极的作用以及在Li/Na-S电池中的应用。首先,本文介绍了硫正极在不同反应机制下的电化学特性、改性策略及其局限,总结了Se/Te作为电极材料在锂/钠二次电池中的应用,并提出了Se/Te在硫正极中作为共熔加速剂的概念及其优势;其次,本文系统总结并讨论了Se和Te作为共熔加速剂在改善各种硫正极中的作用机理,以及在提升Li/Na-S电池性能方面的影响;最后,作者阐述了共熔加速剂的研究中值得深入挖掘的关键点,并对未来的发展提出了展望。


硫电极的电化学反应机制

基于液态电解液的硫正极,其反应机制可分为两种:“溶解—沉积”机制和固相转换机制。传统的S8正极在电解液中通常经历“溶解—沉积”过程,不可避免地导致多硫化物的溶解流失。常规杜绝多硫化物溶解的方法如下:

1) 物理限域;

2) 化学吸附;

3) 反应加速剂。

然而,固相转换机制能够更好的杜绝多硫化物的溶解,目前构建固相转换机制的策略主要有:

1) 微孔碳限域的S2型正极;

2) 在C/S8正极表面形成SEI膜;

3) 锂离子络合型电解液,减少其中自由的溶剂分子,大幅度降低对多硫化物的溶解。


1硫正极的两种反应机制和应对策略


共熔加速剂的概念与作用

锂Se和Te作为S的同主族元素,具有相似的电化学性质,与S可以形成共熔体。Se和Te不仅有更高的电导率,且可以与S实现分子级别的均匀分散,能显著提升反应速率;同时通过自身的氧化还原反应提供容量,他们的作用被定义为共熔加速剂。


2:硫正极中传统加速剂和共熔加速剂的区别


共熔加速剂用于不同反应机制的硫正极

现阶段共熔加速剂的概念主要用于Li/Na-S电池中,在“溶解—沉积”机制和固相转换机制下,Se和Te均可以加速传统S8正极的反应动力学,从而表现出优异的循环倍率性能。此外,在有机硫分子中,如:硫化聚丙烯腈(S@pPAN)、聚苯多硫化合物等,作为共熔加速剂的Se和Te可以显著提升硫正极的性能。值得一提的是,在S@pPAN中,得益于独特的多硫化物转化路径和Se/Te的加速作用,在溶解沉积机制下成功杜绝了多硫化物的溶解流失。此外,Se和Te作为共熔加速剂也可以用于钾、钙、镁、铝等二次电池体系。

图3:Se/Te作为共熔加速剂在Li/Na-S电池中应用

结论和展望

共熔加速剂在硫正极中的应用还处于初步阶段。本文作者以共熔加速剂在硫正极中的作用机理和优势为切入点,系统总结和评价了硒或碲作为共熔加速剂在锂/钠硫电池中目前的研究现状、存在的问题以及后续的发展方向。


作者简介

李书萍在华中科技大学材料科学与工程学院获得博士学位。目前,在华中科技大学电气与电子工程学院担任博士后研究员,研究重点是高性能Li-S电池和大规模储能系统。

张薇在武汉大学获得博士学位。目前,在华中科技大学电气与电子工程学院担任博士后研究员,研究重点是高性能Li/Na-S电池、全固态电池体系。


曾子琪在武汉大学获得博士学位。目前,在华中科技大学电气与电子工程学院担任博士后研究员,研究重点是高性能Li-S电池和锂金属电池。

谢佳,华中科技大学教授、博士生导师,国家重点基础研究计划(青年973计划)项目“高比能二次锂硫电池界面问题基础研究”首席科学家。