西南科技宋英泽Carbon Energy：锂硫化学中单原子电催化剂的设计、机理和展望

Single-atom electrocatalysts for lithium–sulfur chemistry: Design principle, mechanism, and outlook

Yingze Song, Luwei Zou, Chaohui Wei*, Yu Zhou*, Yue Hu*

Carbon Energy

DOI:10.1002/cey2.286

研究背景

锂离子的实际能量密度正接近理论极限，难以满足迅速增长的储能需求，如便携式电子设备、电动汽车和大规模储能等。因此，迫切需要发展更为先进的新型储能体系取代锂离子电池。锂硫电池因具有较高的理论比容量（1672 mAh·g–1）和能量密度（2600 Wh·kg–1），且活性材料硫储量丰富、价格低廉、对环境相对友好，被认为是下一代极具发展前景的先进储能体系。然而，锂硫电池存在硫的利用效率低、倍率和循环性能差、安全性等问题。这主要归因于硫和锂的本征属性：多硫化锂穿梭效应、硫反应动力学迟缓和锂枝晶生长等。

迄今为止，广大科研工作者采取多种手段来优化锂硫电池体系中硫和锂的演化行为。其中，定制形态、结构可控，具有丰富极性位点和优异导电性质的电催化剂来缓解多硫化锂的穿梭效应，催化硫氧化还原反应动力学过程，优化金属锂表面工作状态是行之有效的研究策略。近年来，单原子催化剂因具有较高的原子利用效率和丰富的配位环境，而成为锂硫电池领域研究的热点。特别地，对单原子催化剂进行活性设计并认识其工作机理有利于实现锂硫电池学术研究与实际应用之间鸿沟的解决。

文章简介

近日，西南科技大学宋英泽教授联合电子科技大学长三角研究院（湖州）魏超慧博士、中南大学周喻教授、温州大学胡悦教授从设计策略、制备方法、工作机理和存在挑战等方面系统地总结了单原子电催化剂在锂硫电池中的应用进展，文章以“Single‐atom electrocatalysts for lithium–sulfur chemistry: design principle, mechanism, and outlook”为题发表在Carbon Energy上。

本文全面综述了锂硫电池研究领域中单原子催化剂研究与应用的最新进展。文章首先指出了锂硫电池中硫和锂演化过程中存在的关键科学问题，然后详细介绍了单原子催化剂的结构和性能优势，接着从构建准则和典型合成路线的角度总结了其催化活性设计的最新成果；深入探讨了不同配位环境的单原子催化剂对硫正极和锂负极的作用机制，尤其是对多硫化物吸附，充放电过程中Li2S成核、分解反应，锂演化行为作用机理方面提供了全面的见解。最后，结合单原子催化剂在锂硫电池中的应用实际，提出其现阶段在单原子负载量、配位丰富性和稳定性、宏量化制备等方面存在的技术挑战，并在材料创新、高级探测技术发展、机器学习等方面对其未来发展方向进行了展望。

相关论文信息

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论文标题：

Single-atom electrocatalysts for lithium–sulfur chemistry: Design principle, mechanism, and outlook

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.286

DOI:10.1002/cey2.286

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