化材院賓德善/李丹在Angew和JACS發表資源豐富型正極材料研究成果
暨南大學融媒體中心訊開發無鈷（Co）、鎳（Ni）等稀有金屬資源的金屬電池正極材料備對發展高可持續性、低成本電化學儲能系統具有重要意義，備受國內外研究人員的關注。近日，化學與材料學院賓德善/李丹在資源豐富型銅基和硫基正極材料研究方面取得新進展，相關研究成果分別發表在國際權威期刊Angew. Chem. Int. Ed. (影響因子16.6) 和J. Am. Chem. Soc. (影響因子14.5)。
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銅基導電MOF正極材料具有結構可設計、成本低、可持續性強、電子導電性高等優勢，有廣闊應用前景。然而，其實際應用往往受到比容量和循環穩定性的限制。此外，前期所報道的導電MOF正極電池性能通常是在過量電解液，低活性物質載量下進行測試，而貧電解液、高活性物質負載量工況下的性能表現，對其未來的實際應用是必須考慮的因素，但現有研究對該問題的關注不多。基于此，團隊設計了一維高密度儲鋰活性中心的銅基導電MOF納米帶（DDA-Cu），獲得了高比容量（353 mAh g-1）和高循環穩定性（循環1000圈，容量保持率為78%）；并實現了在高載量貧電解液條件下的電化學性能，當MOF正極載量分別高達5.3 和6.8 mg cm-2，E/AM分別等于4和2 mL mg-1時，其在0.2 A g-1和0.05 A g-1電流密度下仍能夠發揮出高的比容量，并能夠實現循環，初步探討和證明該MOF正極的實際應用潛力。該銅基MOF正極綜合電池性能優于目前已報道的導電MOF正極性能。論文發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202421008，并入選期刊的VIP論文。化材院22級博士生楊夢華和王瑩為共同第一作者。
鋰電池用銅基導電MOF納米帶（DDA-Cu）鋰電池正極
鑒于鋰在自然界的含量較低（0.0019% wt%）和日益增長的電化學儲能應用需求，開發更加低成本和資源豐富的電池體系成為迫切需求。室溫Na-S和K-S電池具有高能量密度，由硫正極及鈉或鉀金屬負極組成，不涉及鋰、鈷和鎳元素等稀有資源，而如何設計具有高反應活性和高穩定性的硫基正極是發展高性能電池器件的關鍵。然而，用于存儲Na/K的硫正極存在反應動力學方面的難題，尤其對于儲鉀而言，傳統S8材料面臨K2S3還原至K2S困難的挑戰，導致硫電極容量和穩定性低。此外，傳統硫正極還存在電導率低、產生可溶性多硫化物發生穿梭，反應過程體積形變嚴重等挑戰。前期有相關報道設計小硫分子（S2-4）可以有效地增強反應動力學。然而，將這種小分子硫正極對于K-S電池體系而言，仍無法解決容量衰減快的難題。
針對上述挑戰，研究團隊以微生物酵母菌和元素硫為前驅體，通過控制熱處理引發兩種前驅體的反應重構獲得導電有機硫聚合物微籠（COSP）。所獲得的COSP正極材料不僅制備工藝簡單、化學性質穩定，還展現出優異的電導率。短鏈硫物種與導電聚合物基體緊密結合有效抑制了可溶性多硫化物的形成，而其獨特的中空微籠結構提供了內部空間，能夠有效緩沖電極在充放電過程中的體積變化。特別地，即使作為挑戰性較大的K-S電池的正極，COSP正極可發揮高的比容量（1206.5 mAh g?1）和優異的循環穩定性，在0.9A g-1條件下1100次循環后容量保持率接近100%；該研究為開發高性能、高穩定性的堿金屬-硫電池新型硫基正極材料提供了新的思路，同時深化了對鉀硫轉化化學反應機制的理解。該成果發表在J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c11845。化材院24屆碩士畢業生曾嫻和22級碩士生易子堅為共同第一作者。
鈉/鉀硫電池用有機硫聚合物微籠（COSP）硫基正極材料
責編：周會謙