人物介紹

張強，清華大學長聘教授、博士生導師。曾獲得國家自然科學基金杰出青年基金、教育部青年科學獎、北京青年五四獎章、英國皇家學會Newton Advanced Fellowship、清華大學劉冰獎、國際電化學會議Tian Zhaowu獎。2017—2021年連續(xù)五年被評為“全球高被引科學家”。長期從事能源化學與能源材料的研究。近年來，致力于將國家重大需求與基礎研究相結合，面向能源存儲和利用的重大需求，重點研究鋰-硫電池、鋰-金屬電池、固態(tài)電池的原理和關鍵能源材料。提出了鋰-硫電池中的鋰鍵化學、離子溶劑配合物概念，并根據高能電池需求，研制出復合金屬-鋰負極、碳-硫復合正極等多種高性能能源材料，構筑了鋰-硫軟包電池器件。現擔任國際期刊Angew. Chem.首屆顧問編輯；J Energy Chem.、Energy Storage Mater.副主編；Matter, Adv. Funct. Mater.，儲能科學與技術等期刊編委。

在2021年12月10日，該團隊與其他課題組合作分別在J. Am. Chem. Soc.（IF=15.419）和Angew. Chem. Int. Ed.（IF= 15.336）發(fā)表了最新成果。下面，對這兩篇成果進行簡要的介紹，以供大家學習和了解！

張強&張學強JACS：復合Li負極的連續(xù)轉化-脫嵌脫Li機制

鋰（Li）金屬負極對高能量密度電池十分具有吸引力。在基于轉化反應的Li沉積-脫嵌過程中不可避免地會產生“死Li”，這會嚴重消耗活性Li和電解質，并且導致壽命縮短。

基于此，清華大學張強教授和北京理工大學張學強副研究員等報道了一種連續(xù)轉化-脫嵌（CTD）的脫Li機制，通過操縱負極的過電位來抑制“死Li”的產生，從而提高了金屬Li的利用效率，并減少了“死Li”的產生，進而提高循環(huán)穩(wěn)定性。在初始循環(huán)過程中，僅通過Li金屬的轉化反應進行脫Li。

在循環(huán)后，當負極的過電位高于Li化石墨的脫Li電位時，就會觸發(fā)脫嵌反應，從而完成整個CTD脫Li過程，進而大大減少因為轉化反應而形成的“死Li”。在實際條件下，基于CTD脫Li機制的工作電池可以保持210次循環(huán)，容量保持率為80%，而裸露的Li負極僅能循環(huán)110次。

此外，具有CTD脫Li機制的1 Ah軟包電池可以實現150次循環(huán)。將該復合負極與電壓更高的NCM811正極構建組成的全電池，基于全部質量計算時其能量密度可超過400 Wh kg^-1。總之，該工作巧妙地通過控制負極的脫Li機制來抑制死鋰的產生，并為復合Li負極的設計提供了新的思路。

圖文速遞

圖1. 脫Li機制示意圖

圖2. 復合Li負極在實際循環(huán)中的過電位演化

圖3. 復合負極中Li化石墨中鋰離子的利用

圖4. CTD脫Li機制

圖5. 紐扣和軟包電池的循環(huán)性能

總結展望

總之，作者證明了一種連續(xù)轉化-脫嵌（CTD）脫Li機制，構建了一種實用的Li金屬-石墨復合負極。由于初始循環(huán)中的過電位小于0.1 V（vs Li/Li⁺），因此，負極發(fā)生的是Li金屬的轉化發(fā)應。當負極的過電位超過鋰化石墨的脫Li電位時，鋰化石墨參與到脫Li過程。

由于鋰離子被迅速補充到石墨中，脫Li機制可以持續(xù)地貢獻容量，因此“死Li”的積累在隨后的循環(huán)中減少。采用基于CTD脫Li機理的Li/C復合負極的全電池可以保持210次循環(huán)，容量保持率為80%。此外，1 Ah軟包電池可以進行150次循環(huán)，證實了CTD機制的實際應用潛力。本文提出的原理和設計方案也可以推廣至其他采用活潑金屬作為負極材料的二次電池體系。

A Successive Conversion-Deintercalation Delithiation Mechanism for Practical Composite Lithium Anodes.J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c08606.

https://doi.org/10.1021/jacs.1c08606.

張強&李博權Angew.：首次報道！Li-S電池中二硫化物電催化劑的表面凝膠化

鋰-硫（Li-S）電池因其理論能量密度高達2600 Wh kg^-1，而被高度視為下一代儲能裝置。正極多硫化物電催化劑已被廣泛研究，以促進緩慢的硫氧化還原動力學，實現高性能Li-S電池。探索電催化劑的表面結構對于理解多硫化物電催化機理和合理設計先進的電催化劑具有重要意義。

基于此，清華大學張強教授和北京理工大學李博權助理教授（共同通訊作者）等人首次確定了Li-S電池中二硫化物電催化劑的表面凝膠。具體而言，二硫化物電催化劑上的路易斯（Lewis）酸位點觸發(fā)1, 3-二氧環(huán)烷（DOL）溶劑的開環(huán)聚合反應，導致催化劑表面被凝膠層包覆，進而使電催化活性降低。

為了解決上述問題，作者將Lewis堿三乙胺（TEA）作為競爭性抑制劑引入鋰離子電池（LIBs）中，以抑制催化劑表面凝膠化。因此，具有二硫化物電催化劑和TEA抑制劑的Li-S電池具有更高的比容量、更好的倍率響應和更長的循環(huán)壽命。該工作為多硫化物電催化劑的表面結構提供了新的見解，并啟發(fā)了對Li-S電池中多硫化物電催化劑表面結構調控的進一步研究。

圖文速遞

圖1. MoS₂凝膠化

圖2. 凝膠化前后MoS₂表面的表征

圖3. MoS₂表面凝膠化對硫氧化還原電催化性能的影響

圖4. 使用TEA競爭性抑制

圖5. 具有TEA和二硫化物電催化劑的Li-S電池性能

總結展望

總之，作者首次揭示了Li-S電池中催化劑表面凝膠化的現象，并且闡明了其產生機制是因為溶劑1, 3-二氧環(huán)烷（DOL）在催化劑表面Lewis酸位點作用下發(fā)生開環(huán)聚合反應，從而影響催化劑的催化活性和電池性能。作者根據Lewis酸堿理論，引入Lewis堿三乙胺（TEA）作為競爭性抑制劑，有效的阻止了催化劑表面的凝膠化，提升了實際條件下催化劑的活性和電池性能。該工作不僅加深了對催化劑表面結構與組成的認識，而且為合理設計Li-S電池的催化劑提供了新思路。

Surface Gelation on Disulfide Electrocatalysts in Lithium-Sulfur Batteries. Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202114671.

https://doi.org/10.1002/anie.202114671.

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