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高分子学院王存国、贺爱华教授团队在提高有机复合正极材料稳定性并延长锂离子电池寿命方面取得系列进展

作者:王存国 来源:高分子学院 责任编辑:   终审:张岩 点击: 日期:2024-05-07

锂离子电池、电动汽车和太阳能已连续两年成为拉动中国经济向前发展的三大引擎,而超大容量和超长循环寿命的锂离子电池的开发是整个电动汽车发展的决速步骤,因而锂离子电池新型正负极材料及其匹配的绿色电解液成为新能源锂离子电池研发的永恒课题。到目前为止,有关高性能锂离子电池有机正极材料的报道不胜枚举,但由于有机正极活性材料在电解液中存在易溶解等缺陷,从而使电池实现高放电比容量和长循环寿命变成一大挑战。作者经过三十多年的应用基础研究,发现在有机正极复合材料中同时引入能提高放电比容量和循环稳定性的多孔碳材料和能抑制活性物质溶解的保护涂层是至关重要,也是具有巨大潜在开发价值的。最近,www.69096.com-澳门新葡亰-新萄京娱乐网址2492777高分子学院王存国、贺爱华教授团队与中科院苏州纳米所李奇、刘立伟研究员所带团队共同合作,设计并制备了一种以吸附在多孔碳骨架(HKUST-1-C)中的有机活性物质(DHAQ)为内核、TiO2为外壳的新型复合正极材料(命名为HKUST-1-C@DHAQ@TiO2)。该复合材料独特的双重陷域结构为电池的氧化-还原反应提供了较短的Li+/e-扩散通道,尤其在电池充放电循环过程中拥有优异的结构稳定性,使活性物质组分既不会发生溶解也不会发生分解,从而表现出优异的电化学性能。该复合正极材料HKUST-1-C@DHAQ@TiO2具有较高的放电比容量(209 mAh g-1,0.1 A g-1)、高的库仑效率(~100%)、优异的循环稳定性(在200次充放电循环后仍具有86%的容量保持率)和出色的倍率性能(138 mAh g-1,1.0 A g-1)。上述性能测试及材料结构表征结果对电极的氧化-还原反应和有机正极材料在充放电过程中的演化机制提供了更深入的理解,从而为有机正极材料在二次电池中的应用和发展起到进一步推动作用。

(1)新型有机复合正极材料合成

图1(a)HKUST-1-C@DHAQ@TiO2的合成路线,以及(b)HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2复合电极在电池循环过程中的结构演变。

(2)新型有机复合正极材料表征

图2 (a) DHAQ、HKUST-1-C、a-HKUST-1-C、HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2复合材料的XRD图。(b) HKUST-1-C、aHKUST-1-C、HKUST-1-C@DHAQ和KUST-1-C@DHAQ@TiO2的XPS光谱。(c) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2复合材料Ti 2p的高分辨率XPS光谱。(d) HKUST-1-C和(e) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2复合材料的氮吸附-解吸等温线,插图显示了相应的孔径分布。(f) DHAQ、HKUST-1-C和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2复合材料的热重曲线。

(3)新型有机复合正极材料电化学性能测试

图3 (a) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2和(b) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正极材料的CV曲线。(c) DHAQ、HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正极材料的循环性能图。(d) DHAQ、HKUST-1-C@DHAQ和HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正极材料的倍率性能。


(4)新型有机复合正极材料储锂机制

图4 (a) HKUST-1-C@DHAQ@TiO2正极材料的傅立叶变换红外分析。(b) DHAQ中Li+可逆嵌入/脱出机制示意图。

该项工作研究成果以Dual-type confinement strategy: Improving the stability of organic composite cathodes for Lithium-ion batteries with longer lifespan为题发表于化工领域TOP期刊Chemical Engineering Journal2024,490:151547(中科院分类1区,影响因子15.1),www.69096.com-澳门新葡亰-新萄京娱乐网址2492777为第一合作单位,王存国教授、贺爱华教授和合作单位中科院苏州纳米所李奇研究员为共同通讯作者,该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重点研发项目和山东省重大创新工程及Enchem亿恩科新能源材料(山东)有限公司校企联合实验室研发项目等资助。

论文链接:Dual-type confinement strategy: Improving the stability of organic composite cathodes for Lithium-ion batteries with longer lifespan.Chemical Engineering Journal,2024,490:151547.https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151547

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