工程催化剂克服硫利用挑战 | 碳材料大会

在最近发表在《国家科学评论》杂志上的一项研究中，来自清华深圳国际研究生院、天津大学、新加坡国立大学联合学院和天津大学的国际研究人员小组利用金属硫化物的不可逆脱锂特性，开发了一种适用于锂硫电池的电化学分子印迹技术。

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（a）MS 的放电和充电曲线。（b）电化学 MI 策略说明。

未来电池研究必须聚焦高能量密度，锂硫（Li-S）电池因其理论能量密度高而备受关注。

然而，由于硫的固-液-固转化速度较慢，特别是充电过程中硫化锂（Li2S）的氧化，需要克服较大的反应障碍，导致Li2S转化不充分和电极钝化，导致电池的能量密度和循环寿命不足以实现商业化应用。

近年来，添加催化剂已被证明是一种改善阴极动力学和提高硫消耗量的成功策略。然而，硫的有效可逆转化受到固相催化剂与固体 Li2S 之间有限接触和弱相互作用的严重限制，特别是在高硫负载和稀电解质的情况下。这大大限制了 Li-S 电池的能量密度和循环稳定性。

具体来说，采用锂化/脱锂预嵌入 Li2S，然后使用酒精清洗去除 Li2S，在金属硫化物 (MS) 中产生 Li2 S 印迹缺陷。结构表征表明，Li2S的去除是催化剂中产生硫空位的原因。由于这种独特的缺陷，催化剂只能附着在目标产物 Li2S 上。

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催化剂性能与硫空位含量呈正相关，这表明 MS 中针对 Li 2S定制的缺陷可以大大增强反应。研究人员还测试了几种 MS，以证明该方法的通用性。

材料筛选之后，Li2S活化电位实验揭示了Li2S氧化强的催化转化效果，QCM展示了MI-Ni3S2对Li2S的靶向吸附作用。

DFT进一步阐明了这一机制：这些特殊设计的缺陷使得催化剂能够仅仅附着在Li2S反应物中的Li原子上，延长了Li-S键并降低了充电过程中的反应能垒，从而加速了Li2S向硫的转化。

在电池性能方面，内置的 Ah 级 Li-S 软包电池在实际情况下稳定循环超过 100 次，获得超过 300 Wh/kg 的能量密度（取决于总质量）。

此外，研究人员利用这种催化剂有效生产出了能量密度为502 Wh/kg的电池，超过了大多数已经报道的采用极低电解质（E/S=1.8 μL/mgS）的作品的性能。

总之，建议的合成方法为具有挑战性的 Li2S 解离问题提供了完美的解决方案，这对于成功制造 Li-S 电池至关重要。更令人鼓舞的是，这项研究为创建具有良好管理的固-固界面的催化剂提供了理论依据和实用方法，适用于高能硫基电池。