基于同步辐射X射线吸收谱的原位电化学反应装置的研制及其在室温钠-硫电池的应用

As a promising energy storage system, ambient-temperature sodium-sulfur (Na-S) batteries have attracted remarkable attention recently because of their high theoretical energy density and low cost. However, it is still ambiguous about the electrochemical reaction and capacity fading mechanisms of Na-S batteries, mainly due to the shortage of effective characterization techniques. Based on the expertise on in-situ/operando synchrotron radiation techniques and mechanistic study of electrochemical energy storage systems, we propose here to investigate the evolution of the electrode/electrolyte interfacial structures of Na-S batteries under real operation conditions by mainly employing in-situ/operando synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy (XAS). We plan to develop an electrochemical cell compatible with the experimental setup of XAS to realize the in-situ/operando XAS measurements under normal electrochemical operation conditions of Na-S batteries. With the aid of the designed electrochemical cell, we aim to monitor the electronic and structural evolutions of the electrode/electrolyte interfaces as well as the side reactions of Na-S batteries by using in-situ/operando electrochemical XAS. It is expected that the outcome of this project will undoubtedly shed light on understanding the electrochemical reaction and capacity fading mechanisms of Na-S batteries, which should be of great significance for the further development of high-performance and sustainable Na-S batteries.

室温钠-硫(Na-S)电池作为一种潜在的能量存储系统，以其理论容量高、原材料丰富和成本低廉而受到越来越多的关注。目前关于Na-S电池的研究仍处于其初级阶段并且由于缺少有效的表征手段，人们对其界面反应机理和失效机制的认识还非常有限。基于在原位同步辐射技术和电化学储能机理等方面的研究基础，本项目申请提出以原位同步辐射X射线吸收谱研究为主，开展针对Na-S电池在服役条件下界面结构演变的微观机制的研究。在此项目中，我们将研制基于同步辐射X射线吸收谱的原位电化学反应装置并建立对Na-S电池界面研究的原位、实时监测方法，实现在服役条件下考察Na-S电池的电极材料/电解液界面电子结构和空间结构的演化过程和界面副反应。可以预期本项目的研究成果将极大有助于理解Na-S电池的电化学反应过程和阐明其界面微观反应机理和失效机制，为发展高性能并满足可持续发展的Na-S电池提供重要科学依据。

本研究项目以设计制备具有高效催化多硫化物转化活性的多功能电催化剂为目标，借助同步辐射 X 射线吸收谱阐明在多硫化物或电催化剂组分、结构的演变规律，在探究电催化剂的催化机制，获取材料性质与性能之间的关系，主要成果如下：（1）利用单金属纳米颗粒制备能催化多硫化物双向转化的功能修饰隔膜，并借助 X 射线吸收谱探究电催化剂在循环过程中的结构稳定性；（2）实现双金属纳米材料的可控制备，研究双金属位点的协同催化作用机制，重点阐明双金属配位环境的改变对促进多硫化物转化的作用机制；（3）进一步拓展到双金属氮化物对催化多硫化物的转化，研究组成性质与电化学性能之间的构效关系，定性阐明电催化剂的精细结构变化，开创了双金属氮化物的结构-催化工程的新策略；（4）提出活性Li2S与双向Fe3C电催化剂协同抑制多硫化物穿梭的新思路，并借助 X 射线吸收谱定量阐明了催化中心原子在充放电过程中的结构演变。本研究为实现制备具有高效催化活性的电催化剂的目标，为推动新型实用化碱金属-硫电池的发展打下基础。。研究开展过程中在Adv. Mater., Nano Lett., CCS Chem.等期刊发表高水平论文28篇，授权2项发明专利，培养硕士研究生6名。