关于高能量密度、大功率锂二次电池电极材料的研究

  • 本科生组 票数:977
  • 姓       名:范磊
  • 导       师:陆盈盈
  • 成果类别:论文著作类
  • 院系(学园):化学系
团队介绍

        范磊,浙江大学化学系本科生,在浙江大学化工学院陆盈盈老师课题组从事能源催化领域的研究。至今已经以第一作者发表SCI论文三篇,总影响因子已超过16。以共同作者发表综述论文两篇,申请国家发明专利一项。曾获得浙江省第十五届“挑战杯”特等奖,浙江大学第十五届“挑战杯”特等奖。多次获得浙江大学优秀学生、优秀学生干部、优秀团员团干等荣誉称号。曾赴香港大学、新加坡南阳理工大学、澳大利亚莫纳什大学交流。

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科研心得

我从大三上半学期开始跟随陆盈盈老师从事锂二次电池的研究。之前自己进行过有机合成与催化相关的研究,但是对锂二次电池可以说是一无所知,之所以选择开始锂二次电池的研究,是因为我想在本科阶段,尝试更多的研究领域,从而找到自己真正感兴趣的研究方向。锂二次电池最吸引我的,就是它的实用价值很高。由于化石燃料的减少以及温室气体过度排放导致的全球变暖,发展新能源已经成了人类发展的必经之路,而锂二次电池作为一种重要的储能手段,在新能源研究领域,有着不可替代的地位。

初识锂二次电池,除了知道它可以用来储存电能,进行充放电,其他的一无所知。所以刚开始时,我并没有直接开始实验研究,而是首先学习了电化学基础知识以及锂电池的基本概念与原理等。在掌握了大部分的基础知识之后,我开始了自己的第一个研究课题,关于锂硫电池的研究。       

硫价格低廉,储量丰富,而且很多关键问题已经有了一定的解决方案,相比于锂氧电池,更接近商业化应用,所以我对锂硫电池的研究十分感兴趣。锂硫电池最大的问题便是硫不导电的本性以及中间产物多硫化锂的穿梭效应。使用导电的碳材料作为锂硫电池的正极载体是一个很好的选择,可以大大增加其导电性,但是碳材料对多硫化锂的吸附性不够强,很难抑制多硫化锂的溶出,通过文献调研,我发现使用复合材料是一个很好的选择。使用碳材料增加电极的导电性,使用另一种材料作为多硫化锂的吸附物质。之前研究人员用做多硫化锂的吸附物质多为导电的物质,我们另辟蹊径,采用不导电的氯化物包覆的碳纳米纤维作为锂硫电池的正极载体,取得了很好的效果。并且与理论计算相结合,我们发现,具有居中结合能的氯化铟效果最好,因为“中庸之道”,氯化铟不仅可以有效吸附多硫化锂,又不会因为结合能太强,而限制多硫化锂的电化学活性。最终,这项工作以我为第一作者,发表在《Advanced Science》(IF=6.0)上,并被Wiley出版社报道,并上榜该期刊7、8、9月原创论文下载排行榜前十。同时,该项目于2017年荣获浙江大学第十五届“挑战杯”特等奖、浙江省第十五届“挑战杯”特等奖。

        以上就是我的研究经历,在将近两年的关于锂二次电池电极材料的研究过程中,我对锂二次电池研究已经有了一个较为全面的了解。机缘巧合,我开始自己的科研之路。喜欢这种简单而纯粹的生活:看文献,做实验,处理数据。静下心来,做自己喜欢的事,找到一个科研人的生活节奏。

成果简介

        手机三天一充电,不是没有可能!


        由于全球变暖以及化石能源的枯竭,发展新能源代替传统化石能源已经成为了能源结构调整的必经之路。随之而来的,就是需要发展高能量密度、大功率的储能设备,用来满足新能源的存储。锂二次电池作为一种新型、无污染、可再生的储能器件,广泛被应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等,也被尝试应用于无人飞机等军事领域。

但是,传统的锂离子电池已经难以满足当今时代的需求,急需发展下一代高能量密度、大功率的锂二次电池。锂硫电池由于其低廉的价格,超高的能量密度,较大的功率,获得了广泛的关注。但是多硫化锂的穿梭效应会导致电极活性物质不断流失,致使电池容量损失较快,循环性能较差,限制了其商业化应用。

我们利用密度泛函理论计算与实验验证发现,氯化物包覆的碳纳米纤维可以有效的吸附多硫化锂,抑制多硫化锂的穿梭效应,增加电池容量与循环性能。据了解,这是首次将不导电的氯化物应用于锂硫电池中。使用氯化铟包覆的碳纳米纤维做为正极载体组装的锂硫电池,在高倍率,高硫负载量时,平均容量是普通锂硫电池的两倍。出色的性能是由于不导电的氯化铟平衡了多硫化锂的吸附与扩散作用,既可以吸附多硫化锂,又不会影响其电化学反应活性。

相关论文已经以申请人为第一作者发表于《Advanced Science》(IF=6.0),并被知名出版社Wiley报道。除此之外,该工作还连续三个月入选《Advanced Science》原创论文下载排行榜前十。同时,该项目于2017年荣获浙江大学第十五届“挑战杯”特等奖、浙江省第十五届“挑战杯”特等奖。

实验结果图