英文原题：Understanding the Catalytic Kinetics of Polysulfide Redox Reactions on Transition Metal Compounds in Li-S Batteries
通讯作者：雷永鹏，中南大学粉末冶金国家重点实验室
作者：Jiao Wu (吴姣), Tong Ye (叶童), Yuchao Wang (王裕超), Peiyao Yang (杨佩瑶), Qichen Wang (王启晨), Wenyu Kuang (匡文宇), Xiaoli Chen (陈效力), Gaohan Duan (段高晗), Lingmin Yu (于灵敏), Zhaoqing Jin (金朝庆), Jiaqian Qin (秦家千)
背景介绍
日益增长的社会需求正在推动电子行业的升级，要求建立高能量密度的储能系统。在各种候选电池中，锂硫 (Li-S) 电池作为后锂离子电池时代的核心电池技术之一，自1962年出现以来受到了广泛关注，其优点是理论能量密度高 (2600 Wh/kg)，硫储量丰富，对环境污染小。图1显示了Li-S电池的一些重要研究的里程碑。然而，除了上述优点外，Li-S电池存在一些问题：(i)硫的利用率低；(ii)反应动力学迟缓；(iii)活性硫 (S8) 和放电产物 (Li2S2/Li2S) 的导电性低；(iv)多硫化物的穿梭效应。其中穿梭效应被认为是限制Li-S电池的最关键的因素之一，导致电池输出容量下降和低库伦效率 (CE)。
图1.1962-2022年以来Li-S电池的代表性研究发展时间表。
文章亮点
近日，中南大学雷永鹏教授等在ACS Nano上发表了锂硫电池中过渡金属化合物催化多硫化物转化研究。首先介绍了硫氧化还原反应的机制并提供了锂硫电池中研究过渡金属化合物(TMCs)的方法，然后强调并总结了各种金属化合物催化剂在锂硫电池中的最新进展以及设计和调节策略。
考虑到图2中的价格、丰度等因素，TMCs在硫氧化还原反应中表现出很大的优势。极性含氧化合物的O原子上有孤电子对，导致金属氧化物和多硫化物之间的结合能很高。金属硫化物、金属硒化物、金属氮化物、金属磷化物和金属碳化物可以促进多硫化物的转化。金属硼化物则具有轻质密度，从而保持了Li-S电池的高能量密度。此外，催化剂的电子和表面结构可以极大地影响TMCs的催化活性：内部/表面缺陷、微观形态和元素掺杂等策略不仅可以产生更多的活性位点来锚定/催化多硫化物，还可以提高催化剂的活性，使多硫化物快速转化。
图2.文中与Li-S电池催化材料相关的元素在地壳中的丰度和价格波动。
总结/展望
目前，Li-S电池还难以同时实现高能量密度、高倍率和长循环寿命。除催化剂的开发、催化机理的探索以及电池结构的设计还处于早期研究阶段外，Li-S电池关键材料的探索和电池性能的提升仍有很大的空间。在此，我们提出了高能量密度Li-S电池未来研究的一些方向和要点(图3)。
(1) 催化剂高利用率
催化剂材料在宿主中的装载量与电池的重量/体积和成本密切相关，但一般都被忽视了。为了优化Li-S电池的能量密度和输出容量，应通过提高活性部位的利用率来降低催化剂材料的质量比。
(2) 界面/表面工程
催化剂的界面/表面工程可以通过平衡多硫化物的氧化还原反应和加速电荷转移来实现快速的多硫化物捕获-扩散-转化和减少Li2S的分解能量，从而实现锂-S电池的长循环稳定性和高能量密度。
(3) 机器学习
为了加速催化剂的发现，在高通量DFT计算的基础上发展机器学习来筛选材料是一个很有前途的方法。
(4) 先进的表征技术
应通过更先进的表征仪器研究电催化剂的基本反应机制甚至失效机制，以更好地了解离子/电子迁移和催化剂表面/界面的多硫化物转化。
(5) 标准性能评估
除了电池装置的性能，评估电极或膜中催化剂的催化效率的统一方法或标准也是至关重要的。正如锌-空气电池中催化剂的活性是通过氧还原/进化反应来评估的一样，Li-S电池中的硫还原/氧化反应也是值得参考的。
(6) 固态电池
固态Li-S电池成为研究的重点，因为它们具有高安全性和大大抑制穿梭效应的优势。
图3. 基于TMCs的电催化剂用于高性能Li-S电池的前景。
相关论文发表在ACS Nano上，中南大学研究生吴姣，叶童为文章的共同第一作者， 雷永鹏教授为通讯作者。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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