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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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化工系張強課題組提出鋰硫電池三元相圖
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化工系張強課題組提出鋰硫電池三元相圖 2041 分享 清華新聞網(wǎng)9月3日電 近日，清華大學化工系張強課題組在鋰硫電池反應機理研究領(lǐng)域取得突破性成果。研究團隊揭示了鋰硫電池中電化學反應的基本熱力學規(guī)律，開創(chuàng)了使用相平衡分析方法研究多相復雜電化學體系的研究范式，展示了化學工程方法在新能源器件研究中的巨大潛力。 鋰硫電池由于其超高的理論能量密度，被認為是最有希望超越鋰離子電池的下一代高能量密度二次電池體系之一。這一高能量密度的本質(zhì)來源于單質(zhì)硫（S8）獨特的16電子轉(zhuǎn)化電化學反應。然而，硫的電化學轉(zhuǎn)化反應是一個涉及多相轉(zhuǎn)變與多中間體生成的高度復雜過程。自20世紀60年代末鋰硫電池首次提出以來，其基本反應規(guī)律始終未得到系統(tǒng)闡釋。目前，鋰硫電池的機理研究高度依賴于光譜學表征，通過不同含硫物種的特征光譜確定其組成和含量及其演變規(guī)律，進而得到機理認識。然而，由于體系復雜且穩(wěn)定性差，光譜研究難以獲得全部物種的準確信息，限制了對鋰硫電池基本反應規(guī)律的深入理解。針對這一現(xiàn)狀，張強團隊開創(chuàng)性地使用了相尺度下的熱力學多相平衡分析方法。這一方法避免了逐一表征各個物種的微觀結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而通過宏觀相組成與演化揭示體系的熱力學規(guī)律，基于平衡關(guān)系和Gibbs相律簡化體系的獨立變量，為反應機制的研究提供了更加簡潔有效的視角。 20240902-化工系-張強-圖片1.jpg 圖1.鋰硫電池中的相平衡關(guān)系示意圖 研究團隊確定了鋰硫電池體系的自由度數(shù)，測定并構(gòu)建了由電解液−單質(zhì)硫−硫化鋰三組分描述的鋰硫電池三元相圖，建立了三元相圖與實際電池體系組成之間的對應關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上精確地描述了鋰硫電池中各相的平衡組成與濃度演變，突破了傳統(tǒng)的光譜分析方法的限制。基于三元相圖，張強團隊首次指認了鋰硫電池中凝膠區(qū)的存在，對應于體系在極低電解液用量下的電解液凝膠化行為和實際器件大幅增加的極化，展示了相平衡分析方法對于實際電池器件性能調(diào)控的重要意義。 20240902-化工系-張強-圖片2.jpg 圖2.鋰硫電池中相平衡和電化學行為間的關(guān)系示意圖 相平衡關(guān)系關(guān)聯(lián)了鋰硫電池的反應熱力學和電化學行為，從而提供了理解復雜電化學過程的新視角。研究團隊基于實驗測定的三元相圖，進一步提出了電化學相平衡理論，闡述了具有電化學活性的多相平衡體系中的相平衡和電化學平衡之間的關(guān)系，并建立了相邊界線形狀和相圖中各點平衡電極電勢之間的定量關(guān)聯(lián)，從而能夠描述鋰硫電池在任意給定狀態(tài)下的熱力學。該研究加深了對多相共存的轉(zhuǎn)化型電極反應規(guī)律的理解，展示了將化學工程方法應用于能源電化學研究的巨大潛力。 相關(guān)研究成果以“鋰硫電池中的相平衡熱力學”（Phase equilibrium thermodynamics of lithium–sulfur batteries）為題，于9月2日發(fā)表于《自然·化學工程》（Nature Chemical Engineering）。 清華大學化工系教授張強與北京理工大學副研究員李博權(quán)為論文的通訊作者，清華大學化工系2020級博士生宋韞瑋為論文的第一作者，論文共同作者包括清華大學化工系2023級博士生沈亮、2021級博士生李西堯等。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京自然科學基金等的支持。 論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s44286-024-00115-4 供稿：化工系 題圖設(shè)計：曾儀 編輯：李華山 審核：郭玲 |
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