“纳米风暴聚合”造粒技术或将助力高性能硫碳颗粒工业化生产

第一作者：冯兰祥

通讯作者：王宇，杨伟

通讯单位：四川大学高分子科学与工程学院

【成果简介】

“驭变幻之象，塑功用之貌”。四川大学高分子科学与工程学院王宇特聘研究员和杨伟教授等利用高自由能物质（液态/气态）的微吸附力、流场作用力以及温度场的强耦合作用，成功将硫、纳米碳材料以及催化剂等功能单元通过微场吸附作用力"聚合"成一种力学性能与材料功能兼得的仿福寿螺卵电极活性颗粒。并由此发展出一种绿色可规模化的纳米风暴造粒技术。另外，通过借用生物学中微环境的概念，首次较为深入地揭示了活性颗粒力学性能及其流变性能在硫正极加工过程中，对电极微环境结构调控的关键作用。该工作以题为“Rational Design and Superfast Production of Biomimetic, Calendering-Compatible, Catalytic, Sulfur-Rich Secondary Particles for Advanced Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文近期发表于国际著名能源类期刊Energy Storage Materials.

【研究亮点】

1. 受自然界冰雹生成过程的启发，发展了一种高效无溶剂、可规模化的“纳米风暴聚合”造粒技术。

2. 利用上述技术，合理设计和快速制备了高性能的仿生活性硫碳二次颗粒，为高载量高性能硫正极制备奠定基础。

3. 基于电流变学，建立了活性颗粒抗辊压性能以及其流变性能的原位表征方法，并深入探讨了其与电极微环境结构演变、电化学性能之间的内在关联。

【核心图文】

图1. “纳米风暴聚合”造粒技术用于高性能仿生硫碳二次颗粒的可规模化无溶剂加工。a, 大自然界冰雹生成的示意图；b, 纳米硫风暴技术生成硫基二次颗粒示意图；c, 纳米风暴技术制备富硫二次颗粒（Sulfur-rich SP@HSN）的可能优势。

图2. 富硫二次颗粒（Sulfur-richSP@HSN）和传统高温熔融法制备硫碳颗粒（AP@HTM）的结构和性能对比。a，Sulfur-rich SP@HSN的SEM图；b, Sulfur-rich AP@HTM的SEM图；c, Sulfur-rich SP@HSN的TEM图；d, Sulfur-rich SP@HSN的元素分布图；e, 纯硫，Sulfur-rich SP@HSN和Sulfur-rich AP@HTM的DSC分析图；f,不同时间制备Sulfur-rich SP@HSN的粒径分布图；e, 流变仪和导电仪搭建的颗粒机械稳定性和导电性原位检测系统照片；h, 颗粒机械稳定性和导电性原位检测原理示意图；i, Sulfur-rich SP@HSN和Sulfur-rich AP@HTM的压缩和松弛曲线对比；j, Sulfur-rich SP@HSN和Sulfur-rich AP@HTM在压缩和松弛过程中的导电性对比。 

图3. 电极微环境的具体内涵及其与电极颗粒抗辊压性能之间的微妙关系示意。a, 微环境的组成示意图；b 和c, 辊压过程中，不同力学性能的电极材料其微环境的演变示意图；d, 辊压处理对电极微环境的离子和电子传输功能影响趋势的示意图。

图4. 富硫二次颗粒SP@HSN的软包电池性能。a, 不同硫载量软包电池的照片；b 和 c, 不同硫载量软包电池的循环性能图。

Lanxiang Feng, Yuan Ji, Zhiwei, Zhu, Peng Yu, Xuewei Fu, Mingbo Yang, Yu Wang* and Wei Yang*, Rational Design and Superfast Production of Biomimetic, Calendering-Compatible, Catalytic, Sulfur-Rich Secondary Particles for Advanced Lithium-Sulfur Batteries, Energy storage mater., DOI: 10.1016/j.ensm.2021.05.038.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829721002506

通讯作者简介：

杨伟教授主要从事聚合物加工过程中凝聚态结构的演化与控制、聚合物共混与复合新材料、聚合物先进功能材料等方面的研究。以通讯作者身份已在Adv. Mater., Materials Today, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Energy Storage Mater., ACS Nano, Macromolecules等国内外核心期刊上发表论文200余篇，其中SCI收录170余篇，申请国家发明专利39项，授权29项；主编著作1部；获省部级科研奖励1项。

王宇特聘研究员主要从事可规模化低碳微场控加工技术及其在先进能源环境材料及器件方面应用的交叉研究。迄今以第一或共同通讯作者，在国际知名期刊上（如Adv. Mater., Adv. Energy Mater., J. Phys. Chem. Lett.等）发表SCI论文30余篇，部分工作得到了国际媒体的广泛关注（如ScienceDaily, MaterialsViews）和杂志主编的亮点报道。申请美国专利9项(4项授权)，其中一项发明专利荣获2020年度美国R&D 100 Award，受邀英文著作一章。目前担任中国流变学协会青年委员，Journal of Energy Chemistry（国家卓越期刊计划入选期刊）和Advances in Polymer Technology (Wiley-Hindawi)杂志青年编委。其课题组长期招聘具有能源环境高分子材料及器件背景的、有志于发展低碳先进加工技术的有志之士加盟（具体邮件联系：[e-mail]）。

课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/Wang_Yu