中科院上硅所溫兆銀團隊：空氣電池電極材料的設計和機理研究獲進展

【成果簡介】

鋰空氣二次電池因具有超高的理論比能量而成為國際上的研究與開發熱點，然而由于其正極復雜的氣-液-固共存的三相結構，及其在循環穩定性、能量效率等方面所存在的問題，其實際應用仍然面臨很大的挑戰，開發高效的空氣電極催化劑等材料十分迫切。近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀帶領的團隊在鋰空氣電池電極材料的設計和機理研究方面取得新進展。他們針對金屬硫化物的催化惰性，以材料晶體結構修飾為手段，成功制備了具有高度晶格畸變的亞穩態金屬硫化物正極材料，具有潛在的應用價值，相關研究成果以題為“Local Lattice Distortion Activate Metastable Metal Sulfide as Catalyst with Stable Full Discharge–Charge Capability for Li–O₂ Batteries”于近期發表于Nano Letters。

【圖文導讀】

圖1?描述具有失真晶格結構的3D M-MoSSe合成程序的示意圖

在第一步中，將七鉬酸六銨四水合物（（NH₄）₆Mo₇O₂₄·4H₂O）與硫脲（NH₂CSNH₂）和具有固定Mo/S/Se摩爾比的硒脲（NH₂CSeNH₂）提供的硫（S）和硒（Se）（ 1：1：1）混合，以確保Mo和S/Se之間的完全粘合。

圖2?3D M-MoSSe，3D S-MoSSe，MoS₂和MoSe₂納米片的XPS分析

（a）3D M-MoSSe，3D S-MoSSe，MoS₂和MoSe₂的Mo 3d的高分辨率圖像

（b）3D M-MoSSe，3D S-MoSSe和MoS₂的S 2p的高分辨率圖像

（c）3D M-MoSSe，3D S-MoSSe和MoSe2的Se 3d的高分辨率圖像

【研究內容】

溫兆銀團隊在前期成功合成定向結構三維二硫化鉬材料的基礎上，采用低溫液相法成功地設計了層內二硫化鉬/二硒化鉬異質結構，通過與美國伊利諾伊斯大學合作進行的球差校正掃描透射電鏡分析證明了該層狀材料層間和層內高度的晶格畸變，且沿相同晶面呈現間距不規則的特性，這種高度畸變的亞穩結構能夠顯著提升材料的催化活性。原位透射電鏡揭示了鋰離子在材料結構中的快速穿梭和傳輸。此種高活性的催化劑首次成功地實現了金屬硫化物在鋰空氣電池中的穩定深度循環，具有潛在的應用價值。

同時，經過兩年的努力，該團隊還在相關催化機理上獲得了突破。他們在成功制備超薄三氧化鉬納米片的基礎上引入氧空位缺陷，在電池的測試過程中，這種富氧空位正極材料呈現獨特的四個獨立階段的特征。針對這四個典型的過程進行深入分析發現，在放電過程中，這些氧空位的活性位點可以形成局部的高濃度活性氧聚集點，與鋰離子發生反應形成穩定的超氧化鋰類似物（Li_2-xO₂），當氧空位逐漸飽和后，在Li_2-xO₂表面逐漸形成穩定的Li₂O₂放電產物。充電起始階段，Li_2-xO₂與氧缺陷位點可以作為Li2O2分解的高效催化劑，實現<3.5V的低充電電壓，而超氧化鋰能夠在~3.5V的電壓平臺快速分解，有效地降低了電池的充電過電勢。該項成果不僅解釋了氧空位缺陷在Li-O₂電池充放電過程中的催化機理，同時放電產物自催化分解現象的發現可以為未來高效正極的設計提供新的思路和解決方案。

相關研究工作得到了國家自然科學基金重點項目和上海市科委等項目的資助和支持。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201706/t20170611_4604521.shtml

文獻鏈接： Local Lattice Distortion Activate Metastable Metal Sulfide as Catalyst with Stable Full Discharge–Charge Capability for Li–O₂ Batteries（Nano Letters,2017,DOI：10.1021/acs.nanolett.7b00603）

本文由材料人編輯部Allen【李倫】編輯，點我加入材料人編輯部。

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