锂硫电池设计的理论基础

Developing of cathode materials with high energy density and high specific capacity is of considerable technological importance for lithium secondary battery. The use of sulfur as a cathode material is generally accepted to be one of the most promising materials due to its extremely high theoretical specific capacity. However，the big challenge has to be overcome for its limited cycle life. By means of DFT calculation, we will concentrate on (i) possible structures and relative stabilities of polysulfides (Sx(y-):x=1~10;y=0 ~2) in vacuum as well as in electrolyte; (ii) interactions of polysulfides with carbon based electrode materials; (iii) the mechanisms of transformation of polysulfides in solute and electrode surface.Meanwhile, the adsorption and oxidation mechanisms of Li2S and Li2S2 on the anode (metallic lithium) will be shed light on. This molecular understanding will provide scientific proof for the design of cathode materials with higher performance.

寻找和开发具有高比容量和高比能量的新型正极材料，是目前锂二次电池研究的热点。硫由于其极高的比容量被认为是最有前途的正极材料之一。而锂硫电池研发的瓶颈问题在于循环性能不高。在本项目中，我们将借助以量子化学为主的理论工具，研究在充放电过程中各种多硫化物(Sx(y-): x=1~10; y= 0~2)的结构，以及不同电解质溶液的溶剂化效应对多硫化物结构和稳定性的影响；考察各种多硫化物在不同碳基材料上的吸附以及作用机制，认识表面结构与多硫化物形态之间的关联，分析造成锂硫电池循环性能差的本质原因，进而明确锂硫电池的电化学反应机理，阐明正极复合材料的构效关系，从而为设计更高比容量和更高比能量的正极储能材料提供科学依据。

寻找和开发具有高比容量和高比能量的新型正极材料，是目前锂二次电池研究的热点。硫由于其极高的比容量被认为是最有前途的正极材料之一，而硫和相应的锂硫化物在高能锂硫电池中扮演重要的角色。与实验密切结合，借助DFT方法结合蒙特卡罗取样，系统地研究了 Li2Sx（x=4-8）的可能结构，并进行了前线轨道的分析。还系统考察了不同多硫化合物在石墨烯和N杂石墨烯表面的吸附，认识表面结构与多硫化物形态之间的相互关联，明确了锂硫电池的电化学反应机理。CO2在金属电极表面的不可逆吸附是锂电池失活一个重要原因。在香港科技大学做博士后期间系统研究了在不同过渡金属催化下CO2羧酸化的反应机理，总结有利于CO2活化的本质原因，从而为今后研究CO2在电极表面的毒化提供理论基础。