中国团队在多电子高比能锂二次电池取得系列研究进展
清洁能源创新应用是现代社会发展的主流，面向清洁交通、信息通讯、航空航天等应用领域日益增长的需求，亟待开发高能量密度、低成本以及绿色安全的新型储能装置。尽管锂离子电池已经被广泛应用在便携式电子设备，但是未来仍无法满足更高规格新能源车辆、无人机等应用对电池高能量密度的要求。基于多电子转化反应的锂二次电池有望成为未来高比能储能体系应用的理想选择。
在众多高比能电池体系中，锂硫电池具有高的能量密度（2600 Wh kg–1）以及单质硫的成本低廉和环境友好等优势而受到广泛的关注。然而，滞后的多电子硫转化反应、多硫化物穿梭效应以及锂金属负极的枝晶生长等问题，导致锂硫电池在倍率性能、循环寿命以及安全性方面还有待实现创新突破。
近日，材料类顶级国际期刊《Advanced Materials》（《先进材料》，影响因子30.849）报道了北京理工大学材料学院陈人杰教授课题组在高性能锂硫电池催化材料方面的研究进展，相关研究成果以“Synergetic Anion Vacancies and Dense Heterointerfaces into Bimetal Chalcogenide Nanosheet Arrays for Boosting Electrocatalysis Sulfur Conversion”为题在线发表。
该研究工作通过对过渡金属硫族化合物电催化剂的组分和结构调控，提出了硫原子空位和异质界面协同催化机制，有效改善了锂硫电池中多电子转化反应滞缓的问题，并抑制了多硫化物穿梭效应和锂枝晶的生长（如图1）。该工作通过钴锌双金属有机框架的原位生长和高温气相反应，制备了一系列阴离子空位和异质界面共存的过渡金属硫族化合物纳米片阵列结构的电催化剂。实验分析表明，在制备的九种金属硫族化合物纳米片阵列中，双金属硫化物纳米片阵列（CoZn-S）具有最丰富的原子级硫空位缺陷和最致密的异质界面，进而获得最优的催化活性和电化学性能。采用球差校正的HAADF-STEM，并结合同步辐射X射线吸收精细结构以及理论计算分析，提出了CoZn-S中硫原子空位和异质界面协同催化多电子硫转化反应的机制。硫原子空位和界面电场可以促进电荷转移，调控电子结构以及局部配位环境，在热力学上促进了Li2S的形成，降低了Li2S分解能垒，同步提高了对硫还原和硫析出的反应活性。此外，构筑的三维纳米片阵列结构提供了高的活性表面积，缩短了离子传输途径，抑制了电催化过程中CoZn-S的体积变化。综合测试表明，该电池实现了高的放电容量、良好的倍率性能和超长的循环寿命（1800圈）。在9.2 mg cm–2的硫载量和3 μL mg–1的E/S比苛刻的条件下，CoZn-S实现了8.7 mAh cm–2的高面容量和45圈的稳定循环。该工作提出了集原子级空位缺陷，异质界面和结构工程三位一体的普适策略，为设计先进的双金属硫族化合物电催化剂提供了新的研究思路。
（a）CoZn-X合成策略示意图；（b）CoZn-X催化剂结构示意图；（c）CoZn-X作为高效硫转化催化剂机理图。
