中科院煤化所陳成猛研究員團(tuán)隊(duì)近期科研進(jìn)展

生物質(zhì)可控轉(zhuǎn)化為硬炭用于鋰/鈉離子電池

  中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛研究員與清華大學(xué)張強(qiáng)教授等人報(bào)道了以生物圈中三種主要的天然生物聚合物：淀粉、纖維素和木質(zhì)素作為多糖和芳香聚合物的典型代表，闡明生物質(zhì)炭化過程的熱化學(xué)演變機(jī)制對(duì)炭材料的合理設(shè)計(jì)和可控構(gòu)建的重要性，并為掌握復(fù)雜組分生物質(zhì)的工業(yè)利用、可控生產(chǎn)高級(jí)硬炭提供重要的理論支持?；谝陨峡紤]，該綜述首先概述了淀粉、纖維素和木質(zhì)素三者的來(lái)源、結(jié)構(gòu)和熱解行為。其次，對(duì)這三種類型的生物質(zhì)聚合物可控制備硬炭的研究進(jìn)展及其在鋰/鈉離子電池中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，最后，對(duì)生物質(zhì)衍生硬炭在鋰/鈉離子電池中目前仍面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

  成果以題為“Molecular-scale controllable conversion of biopolymers into hard carbons towards lithium and sodium ion batteries:A review”在Journal of Energy Chemistry期刊發(fā)表，文章第一作者為中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所副研究員謝莉婧和阿德萊德大學(xué)博士后唐城。

面向硬碳負(fù)極材料的儲(chǔ)鈉性能強(qiáng)化：通過低溫氫氣還原反應(yīng)調(diào)控前驅(qū)體氧元素含量

  中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所的陳成猛研究員領(lǐng)銜團(tuán)隊(duì)，利用富含氧元素的酯化淀粉，通過化學(xué)反應(yīng)制備了一種鈉離子電池負(fù)極材料——硬碳，并研究了反應(yīng)中間產(chǎn)物前驅(qū)體的氧元素含量對(duì)該硬碳負(fù)極材料電化學(xué)性能的影響。

  7月4日，相關(guān)論文以《面向硬碳負(fù)極材料的儲(chǔ)鈉性能強(qiáng)化：通過低溫氫氣還原反應(yīng)調(diào)控前驅(qū)體氧元素含量》（Towards enhanced sodium storage of hard carbon anodes:Regulating the oxygen content in precursor by low-temperature hydrogen reduction）為題，發(fā)表在Energy Storage Materials期刊上。煤炭化學(xué)研究所的在讀博士研究生宋明信為論文第一作者，陳成猛研究員與謝莉婧副研究員擔(dān)任論文共同通訊作者。

一種通過Lewis堿電催化的可用于有機(jī)系超級(jí)電容器電解液的高電壓氧化還原添加劑

  超級(jí)電容器的氧化還原電解液添加劑由于其能提供額外的法拉第電容，受到廣泛關(guān)注。然而，很多氧化還原添加劑由于在較高電位下存在不可逆副反應(yīng)，導(dǎo)致器件不能在高電壓下穩(wěn)定運(yùn)行，能量密度并不理想。

  中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛研究員，蘇方遠(yuǎn)副研究員（通訊作者）等人為解決這一問題，提出以商用有機(jī)電解液SBPBF4/PC為基礎(chǔ)，四氯氫醌(TCHQ)為氧化還原添加劑，氮摻雜活性炭作為雙功能電極（同時(shí)提供法拉第/非法拉第電容）的策略，構(gòu)筑了一種具備高操作電壓（2.7 V，可與商業(yè)電解液耐壓持平）、長(zhǎng)循環(huán)壽命（10k循環(huán)剩余容量84.3%）、高能量密度的超級(jí)電容器（35.7 wh kg-1@0.5 Ag-1）。相關(guān)研究成果以“High-Voltage Redox Mediator of an Organic Electrolyte for Supercapacitors by Lewis Base Electrocatalysis”為題發(fā)表在ACS Applied Materials&Interfaces期刊上，文章共同第一作者為中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所博士研究生王哲帆、易宗琳。

利用計(jì)算氫電極方法成功揭示鋰硫電池中Li2S2催化轉(zhuǎn)化機(jī)理

  鋰硫電池因其高能量密度、低成本被視為下一代鋰電池的有力候選者。但長(zhǎng)期以來(lái)，鋰硫電池的倍率性能受其內(nèi)部一系列多硫化物轉(zhuǎn)化反應(yīng)速率的制約，其中由Li2S2向Li2S的轉(zhuǎn)化尤為緩慢，因而成為研究的焦點(diǎn)。

  研究人員從第一性原理計(jì)算的角度出發(fā)，系統(tǒng)研究了Li2S2催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑，并將計(jì)算氫電極方法進(jìn)行推廣，成功預(yù)測(cè)出不同種類單原子催化劑對(duì)反應(yīng)電位的影響。其結(jié)論與方法對(duì)高性能鋰硫電池的設(shè)計(jì)，以及其中電化學(xué)反應(yīng)的精確模擬有重要意義。

  基于此，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所的陳成猛研究員和蘇方遠(yuǎn)副研究員，在國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials上發(fā)表題為“Uncovering Electrocatalytic Conversion Mechanisms from Li2S2 to Li2S:Generalization of Computational Hydrogen Electrode”的論文。

  該文章成功將計(jì)算氫電極方法推廣至鋰硫電池體系中，并據(jù)此揭示了Li2S2向Li2S的催化轉(zhuǎn)化機(jī)理。

去除原生鈍化層對(duì)鋰金屬電極電化學(xué)性能的影響

  金屬鋰由于具有極高的理論比容量（3860 mAh/g）和極低的電化學(xué)電勢(shì)（?3.04 V），不僅被認(rèn)為是極具競(jìng)爭(zhēng)力的負(fù)極材料，而且被廣泛用作鋰半電池的參比和對(duì)電極評(píng)估電極材料的電化學(xué)性能。然而，在金屬鋰生產(chǎn)，運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中，活性鋰表面會(huì)不可避免地形成原生鈍化層（NPF），但大多數(shù)研究都忽略了鋰金屬表面鈍化層對(duì)電池評(píng)測(cè)結(jié)果的影響。

  鑒于此，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛研究員（通訊作者）等人通過一種自制的鋰表面拋光工具去除NPF，對(duì)比研究了NPF對(duì)鋰離子電池電化學(xué)性能的影響，并提出了NPF影響鋰離子電池電化學(xué)性能的作用機(jī)制。作者通過3D粗糙度建模、EDS能譜和深度AES表征了原生鈍化層的粗糙度和組分分布。在鋰對(duì)稱電池中，通過GCD、EIS和SEM等表征研究了鋰金屬電極的電勢(shì)、表界面阻抗和表面形貌演變規(guī)律。結(jié)果表明，拋光后鋰金屬電極的界面阻抗和電極過電位都顯著降低，在充電/放電過程中表面的鋰沉積也更均勻。隨后，作者進(jìn)一步分析了NPF對(duì)商用LiFePO4和石墨鋰半電池的電化學(xué)性能和一致性的影響。其中，不含NPF的電池具有良好的倍率、循環(huán)性能和更優(yōu)的一致性。相關(guān)研究成果以“The Effect of Removing the Native Passivation Film on the Electrochemical Performance of Lithium Metal Electrodes”為題發(fā)表在Journal of Power Sources期刊上，文章第一作者為中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究生王浩。

陳成猛研究員

  陳成猛，山東鄒城人，1985年出生，博士，研究員，中科院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中科院石墨烯工程實(shí)驗(yàn)室副主任，中科院山西煤化所709課題組長(zhǎng)。兼任中科院青促會(huì)會(huì)員、中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年理事、中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事、IEC/TC113和SAC/TC279標(biāo)委會(huì)專家等職務(wù)。入選山西省“三晉英才”計(jì)劃。主要從事先進(jìn)炭材料與儲(chǔ)能器件研究工作，主持項(xiàng)目20余項(xiàng)，發(fā)表論文120余篇，他引4000余次，h因子32，授權(quán)專利22項(xiàng)，出版英文專著1部，主持制定國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)。榮獲山西省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、中國(guó)化工學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)、侯德榜化工科技青年獎(jiǎng)、中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)青年顆粒學(xué)獎(jiǎng)、中科院北京分院“啟明星”優(yōu)秀人才等榮譽(yù)，2017年入選《麻省理工科技評(píng)論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”，2019年獲國(guó)家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金資助。

資料來(lái)源：DeepTech深科技、能源學(xué)人、中科院山西煤化所、TK生物基材料

（注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除?。?/p>

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