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                          《Cell》子刊《iScience》刊發材料學院張校剛教授團隊研究成果

                          時間:2019-06-18來源:科研辦點擊:328


                           近日,我校材料科學與技術學院張校剛教授課題組在锂氧電池有機催化劑方面取得重要研究進展。相關研究成果(A Heavily Surface-Doped Polymer with theBifunctional Catalytic Mechanism in Li-O2 Batteries;論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.03.016)以我校爲第一單位發表在《Cell》子刊《iScience》,第一作者是我校材料科學與技術學院的博士研究生徐呈旸。

                           锂氧电池作为一种新型的电化学储能器件,因其极高的理论比容量(3500 Wh kg-1)受到科研人员的广泛关注。该储能体系采用金属锂为负极,具有超高的理论比容量(3862 mAh g-1)和最负的电位(-3.04 V vs. SHE)。正极为空气电极,氧气为活性物质,极大节省了电极质量,故锂氧电池的整体能量密度可以达到商业化锂离子电池的5-10倍,极具研究价值。

                           然而锂氧電池的實際綜合性能如能量轉換效率,循環壽命,倍率性能等方面距離實用化仍有較大差距。其關鍵問題在于放電産物Li2O2的絕緣性和锂負極的枝晶生長,造成充放電過程較大的電壓極化和循環性能衰減。傳統的無機催化劑如貴金屬,過渡金屬氧化物等,已被廣泛研究用于催化放電産物Li2O2的分解,可降低充電過程的過電勢,提高電池的能量效率。但無機催化劑不能有效保護碳基材料,避免中間産物超氧根離子(O2-)的親核攻擊,在碳電極表面仍然會生成碳酸锂(Li2CO3)導致放電容量衰減和充電過電勢升高。雖然有機導電聚合物可均勻覆蓋在碳納米管纖維上,實現對碳材料的保護,有效降低表界面副反應,但由于本身導電性不佳,循環穩定性差的問題,無法有效催化産物過氧化锂(Li2O2)分解,降低充電過電勢。

                          我們通過利用功能化的摻雜離子對聚咔唑進行表面摻雜,實現了聚咔唑導電性和電化學穩定性的提升。本工作中功能化的摻雜離子包括兩種,一種是氧化還原型的鐵氰酸根離子(Fe(CN)63-,一種是維持結構穩定性的磷酸根離子(PO43-)。我們通過探究兩種陰離子的不同比例對聚合物摻雜水平和半導體性能的影響,調節表面摻雜的聚咔唑的電化學性能,確定最佳的摻雜離子比例。采用電化學石英晶體微天平的方法,驗證聚合物摻雜前後的離子傳輸過程,闡述聚合物P-N型轉換機制。並利用M-S曲線和紫外可見光測試具體分析聚合物的載流子濃度,平帶電位以及帶隙等半導體性能。


                          最終,我們通過將碳納米管薄膜作爲基底,通過電化學聚合的方法讓咔唑單體沿著碳管纖維進行聚合生長,並首次采用恒電壓摻雜去摻雜方法,制備出鐵氰酸根和磷酸根離子共摻雜的碳納米管聚咔唑複合物(CNT/PCz:FCN)。將這種材料作爲锂氧電池的自支撐電極,充電電壓降低到3.6V,在150圈充放電循環後,大部分充電電壓保持在4.0V以下,實現了目前有機催化劑電極在锂氧電池中的最佳電化學性能。



                          地址:江蘇省南京市江甯區將軍大道29號

                          南京航空航天大學材料科學與技術學院

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