广东工业大学李运勇EnSM:导电的1T-VS2-MXene异质结构双向电催化剂赋予紧凑的Li-S电池具有高体积容量和高面积容量

广东工业大学李运勇EnSM:导电的1T-VS2-MXene异质结构双向电催化剂赋予紧凑的Li-S电池具有高体积容量和高面积容量随着电动汽车和现代移动电子设备的普及,推动了具有高体积/重量能量密度的紧凑型储能设备的发展。同时,在一些空间有限的商业电池中,体积能量密度比重量能量密度变得越来越重要。以硫为阴极,锂为阳极的锂硫电池(LSBs)由于其巨大的理论能量和体积能量密度(2600 Wh kg-1和2800 Wh L-1),被认为是下一代高能电池最有前途的候选电池之一。迄今为止,锂硫电池的质量能量密度(400-600 Wh kg-1)的性能优于最好的商用锂离子电池(250-300 Wh kg-1)。然而,无论是锂或石墨作为阳极,锂硫电池的体积能量密度都低于锂离子电池。锂硫电池的低体积能量密度来源于硫阴极高孔隙率、低密度的非活性物质的过渡使用。例如,采用大量的导电多孔碳(>30wt%)来提高硫阴极的导电率。为了提高体积能量密度又不牺牲重量能量密度,在设计高硫载量、低剂量电解质和高密度的硫阴极时,硫宿主材料应同时具有良好的电催化活性和离子/电子电导率,以解决这些硫化物缓慢的氧化还原反应和较差的导电性等问题。


广东工业大学李运勇教授课题组设计了一种双导电性的1T-VS2-MXene异质结构电催化剂作为高效的硫宿主,它结合了1T-VS2超快的锚定和催化作用以及MXene良好的成核和表面扩散的优点,可以双向加速硫氧化还原动力学,调节Li2S的成核和分解,抑制多硫化物的穿梭。结合高密度硫阴极的设计,利用石墨烯悬浮液作为“自组装剂”,制备得到高密度、高导电性的S/1T-VS2-MXene块体材料 (密度:1.91 g cm-3,电导率:76.3 S m-1)在常规电解质0.1 C放电倍率下实现高容量1571 Ah L-1(基于硫阴极的总体积)(质量比容量:~1430 mAh g-1基于硫)。即使在0.05 C放电倍率和3 μL mgs-1贫电解质条件下仍然获得约7.9 mAh cm-2高的面积容量。该文章以“Conductive 1T-VS2-MXene heterostructured bidirectional electrocatalyst enabling compact Li-S batteries with high volumetric and areal capacity ”为题发表于国际知名期刊Energy Storage Materials.


【本文亮点】

1. 以1T-VS2-MXene异质结构催化剂作为高效硫宿主,基于其高导电性和有效的协同效应,可以为LiPSs提供强大的捕获和催化转化能力以及Li2S的均匀沉积,从而平衡了吸附-催化转化-成核行为,最终有效抑制了LiPSs在高硫负载阴极中的穿梭,提高锂硫电池的电化学性能。

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图1  S/1T-VS2-MXene合成示意图和吸附催化机理示意图


2. 得益于增强的双向硫氧化还原动力学和阴极的致密结构,高密度S/1T-VS2-MXene阴极单体(密度:1.91 g cm-3,电导率:76.3 S m-1)在常规电解质0.1 C放电倍率下实现高容量1571 Ah L-1(基于硫阴极的总体积)(重量比容量:~1430 mAh g-1基于硫)以及在0.05 C放电倍率和3 μL mgs-1贫电解质条件下获得约7.9 mAh cm-2高的面积容量。

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图2  高密度S/1T-VS2-MXene阴极单体在常规电解液和贫电解质条件下的物理表征和电化学性能


3. 实验结果和DFT理论分析从原子水平和电子结构上清楚地揭示了这种优越性能的原因以及异质结构催化剂的协同效应。与1T-VS2相比,1T-VS2-MXene异质结构对LiPSs具有更强的吸附作用,并具有更高的催化活性。而MXene占据了1T-VS2未占据的导带,从而导致在循环过程中具有更高的电导率和更快的表面电荷转移。

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图3  DFT计算仿真分析


Shangyou Wu, Wei Wang, Jiongwei Shan, Xinying Wang, Dongzhen Lu, Junlu Zhu, Zhonggang Liu, Liguo Yue, Yunyong Li*, Conductive 1T-VS2-MXene heterostructured bidirectional electrocatalyst enabling compact Li-S batteries with high volumetric and areal capacity, Energy Storage Materials, 2022, DOI:10.1016/j.ensm.2022.04.004


课题组介绍:

广东工业大学材料与能源学院的材料科学与工程学科为广东省“211工程”重点建设学科、广东省攀峰重点学科,具有材料科学与工程一级博士授权点和博士后科研流动站,为全球ESI前1%的学科。课题组的研究工作主要依托广东省功能软凝聚态物质重点实验室、广东省发改委储能材料与器件工程实验室、广东省新能源材料与器件粤港合作基地等平台开展工作。研究团队长期从事超级电容器、锂硫电池和锂/钠离子电池等电化学储能器件的基础与应用研究,特别是在石墨烯和MXene等二维基储能材料的研究领域取得了丰硕的成果,现已建立了完备的扣式和软包电池实验室装配线,并拥有近800平方米的材料制备和性能表征实验室,课题组长期与香港城市大学、香港理工大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国马里兰大学等单位进行密切的学术交流与合作。


通讯作者简介

李运勇 教授 广东工业大学材料与能源学院 教授/博士生导师, 广东省电化学储能电池和太阳能转换与储存材料工程技术研究中心主任, 曾获广东省杰出青年科学基金和青年珠江学者。课题组主要围绕新型石墨烯和 MXene等二维复合能源材料的微纳结构设计、电子结构调控、合成机制研究及其在高效的超级电容器、锂/钠离子电池、锂硫电池等电化学储能和电催化领域开展基础和应用研究,在 Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Nano Energy, Appl. Catalysis B-Environ.等国际权威期刊发表学术文章近60篇,其中IF>10 的近30篇,1 篇被《Nature》作专题报道, 单篇最高引用超640次,申请和授权发明专利近30项。主持和合作主持过10余项国家及省部级等课题,包括主持国家自然科学基金项目2项,广东省杰出青年基金项目等,担任广东省材料研究学会青年委员会副秘书长、《Nanomaterials》期刊(IF=5.076)的专刊客座编辑和《Rare Metals》青年编委等学术兼职。个人学术简介详见:https://yzw.gdut.edu.cn/info/1147/2690.htm


课题组招聘

课题组长期招收博士后 年薪35万元起+奖励

一、研究方向:

1)高性能锂金属电池、钾离子电池研究;

2)锂硫电池、超级电容器电极材料研究;

3)电池材料相关理论计算等


二、申请条件

基本条件:原则上,申请人应在近三年内获得博士学位,品学兼优,身心健康,年龄在35周岁以下。申请人进站后需在广东工业大学全职从事博士后研究工作。博士期间发表较高水平SCI论文2篇及以上。


三、待遇

1. 工资待遇:基础年薪35万元起+奖励 (科研奖励:在站期间获得国家基金(含青年基金)或中国博士后科学基金特别资助者,学校一次性发奖励5万元。在站期间获得的高水平科研成果(论文、专利、项目等)奖励按学校相关科研奖励办法给予奖励。


2. 国(境)外机构联合培养与交流(带薪):经本人申请,条件优秀的博士后可以直接申请去境外或国外联合培养。


3. 留校工作政策:学校为优秀博士后提供留校优先政策。


详情请见:广东工业大学博士后招聘网站:

https://rscbgb.gdut.edu.cn/info/1052/1002.htm


另外,广东省青年人才引进政策:

(1)广东省“珠江人才计划”海外青年人才引进博士后资助项目。采取“核实认定、不限名额” 的方式,面向全球排名前200(四大排名中任何一个)的高校引进国(境)外博士毕业生来粤从事博士后工作。省财政给予进站博士后每人每年额外30万元生活补贴,资助期限为2年。出站后留在广东省工作的,省财政给予每人40万元住房补贴;


(2)“青年优秀科研人才国际培养计划”。广东省每年资助100名优秀在站博士后科研人员、申请进博士后流动站的应届博士毕业生到国外(境外)高校、科研机构、企业的优势学科领域,合作开展博士后研究工作,每人资助40万元。每年选派200名优秀博士、博士后赴国(境)外开展短期培训和学术交流活动。每年选派100名优秀博士、博士后作为访问学者赴国(境)外访问进修、合作研究,派出时间一般为6至12个月。


四、联系方式

招聘长期有效,有意向者请将个人相关信息(含个人简历及研究成果)发至278589181@qq.com,应聘者请将邮件主题命名为:“姓名-应聘XX”,并在邮件中注明可到岗时间。此外,课题组也常年招收硕士和“申请-考核制”博士生,欢迎有材料、化学和高分子等专业背景的报考。诚挚欢迎有志于在相应研究领域中得到锻炼、做出成果的优秀人才加入我们的团队共同奋斗。


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参考文献: