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近日，蘭州大學(xué)物理學(xué)院周金元課題組經(jīng)過多年探索和積累，在LSBs領(lǐng)域取得重要進展，該研究成果以“Spin Effect to Promote Reaction Kinetics and Overall Performance of Lithium-Sulfur Batteries under External Magnetic Field”為題在國際著名綜合學(xué)術(shù)刊物Angew上發(fā)表。

為推動國家“雙碳”戰(zhàn)略，倡導(dǎo)綠色低碳生活方式，電動汽車的普及越來越廣泛。然而，儲能電池的能量密度成了制約其發(fā)展的瓶頸。作為一類很有潛力的能源存儲器件，鋰硫電池（LSBs）因其理論容量密度（2567 Wh kg -1 ）遠(yuǎn)高于商用鋰離子電池（300 Wh kg -1 ），環(huán)境友好，且我國硫資源豐富等優(yōu)勢受到了科研和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。但 鋰LSBs仍受到多硫化鋰（LiPS）的穿梭導(dǎo)致的循環(huán)穩(wěn)定性差和緩慢的Li-S反應(yīng)的限制。傳統(tǒng)的解決方案是在正極側(cè)添加金屬半導(dǎo)體等催化劑促進LiPS向最終反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)i 2 S的轉(zhuǎn)化。但是，在實際應(yīng)用中金屬半導(dǎo)體催化劑通常存在特定的電子結(jié)構(gòu)，無法最大化發(fā)揮其催化效果，從而導(dǎo)致實際能量密度有限，循環(huán)穩(wěn)定性較差。

蘭州大學(xué)物理學(xué)院周金元課題組經(jīng)過多年探索和積累，在LSBs領(lǐng)域取得重要進展，該研究成果以“Spin Effect to Promote Reaction Kinetics and Overall Performance of Lithium-Sulfur Batteries under External Magnetic Field”為題，近期在國際著名綜合學(xué)術(shù)刊物 Angew 上發(fā)表。


永磁體或鐵磁添加劑施加外部磁場可以改變反應(yīng)前體/中間體/產(chǎn)物和催化劑本身的性質(zhì)，以提高催化活性、選擇性和穩(wěn)定性。在LSBs的充放電能力的基礎(chǔ)上，周金元教授聯(lián)合加泰羅尼亞能源研究所的Andreu Cabot教授和范小龍教授，由博士研究生張超岳、張超琦、孫國文和碩士研究生潘江瀧組成的研究小組在電池電極兩側(cè)施加恒定磁場，引發(fā)鐵磁性催化劑材料自旋極化效應(yīng)，降低了LiPS的反應(yīng)動力學(xué)勢壘。在提高電池比容量的同時，有效緩解了穿梭效應(yīng)的問題。


外部磁場的存在可以驅(qū)動磁性原子的外層電子從低自旋狀態(tài)過渡到高自旋狀態(tài)，從而在軌道上產(chǎn)生額外的未配對電子。這種自旋極化會強烈地影響材料的化學(xué)吸附、帶隙和電荷傳輸特性。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)磁場增強LSB的循環(huán)能力延長到了8150圈，每圈僅有 0.0084%的衰減率。 該工作為提高鋰硫電池性能提供了一種新的思路，從而說明了自旋效應(yīng)在LSBs的電催化劑應(yīng)用的巨大潛力。


上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委面上項目、國家留學(xué)基金委和教育部中央高校基本業(yè)務(wù)費優(yōu)秀研究生項目等項目和機構(gòu)的支持。

該研究工作是該課題組儲能器件系列研究工作之一，是在周金元教授指導(dǎo)下基于物理場增強型LSB儲能器件研究方面的又一重要研究成果。同時，近期該小組基于電場增強LSB儲能器件的研究工作在化學(xué)類top期刊上發(fā)表（Chem. Eng. J. 2023, 139752）。這一系列工作將為高性能LSB的發(fā)展提供新的思路。 

原標(biāo)題：Angew：蘭大周金元課題組在鋰硫電池儲能器件研究領(lǐng)域取得新進展