李爽研究员团队在锂硫电池中多硫化物中间体催化转化上取得系列进展

时间：2024-05-20 阅读：

锂硫电池因其较高的理论能量密度（2600 Wh/kg）和比容量（1675 mAh g^-1），被认为是最有潜力的下一代新型储能器件之一。然而其实际应用中还面临着巨大挑战，其中的关键核心问题是充放电过程中多硫化物中间体的转化反应动力学缓慢（反应过程需经历S₈分子到Li₂S_x1≤x≤8）的复杂转化过程），穿梭效应严重，导致电池库伦效率低及循环稳定性差等问题。设计具有高效多硫化物催化转化性能的载硫材料，是解决锂硫电池现有挑战的重要手段，对于促进锂硫电池充放电性能并推动其商业化应用具有重要作用。

近日，我院李爽研究员及其合作团队在Angewandte Chemie International Edition发表了题为《Alveoli-Inspired Carbon Cathodes with Interconnected PorousStructure and Asymmetric Coordinated Vanadium Sites for SuperiorLi-S Batteries》的研究论文（https://doi/10.1002/anie.202404019）。论文是受肺泡结构具有相互连接的孔隙和分布均匀的酶催化位点，可以同时实现底物的快速扩散和原位催化转化的特点启发，提出的一种具有相互连接的多孔结构和不对称配位的V-S₁N₃位点的碳正极载体用于高效稳定的Li-S电池。通过在多孔碳孔壁上合理控制杂原子的掺杂比例、合成温度和金属中心，可以实现V中心与1个硫原子和3个氮原子（命名为V-S₁N₃）成键形成具有不对称配位结构的原子级催化位点。与传统的对称配位的金属-N₄结构相比，这种非对称的杂原子配位，为催化中心带来了较高的电荷不对称性，改善了多硫化合物在催化剂表面的吸附方式。让传统的垂直吸附变成躺倒式吸附，加速了多硫化物的化学键的断裂，从而大幅提升了材料的催化性能和锂硫电池性能。

该工作采用系统的光谱和结构分析证明了V-S₁N₃在多孔碳基体中的精细结构。电化学研究表明，与V-N₄（1263 mAh g^-1）和NC（1017 mAh g^-1）相比，V-S₁N₃基电池表现出最快的多硫化物氧化还原动力学，在0.1 C（1 C=1675 mA g^-1）下具有最高放电容量1312 mAh g^-1，在1.0 C，610次循环后，电池性能仅下降0.076%。理论研究表明，电荷不对称程度的变化导致V-S₁N₃的未成对电子增多，d带中心降低。从而改善了对多硫化物的吸附。同时，V-S₁N₃中S较大的原子半径导致了V-S₁N₃对Li₂S_x的倾斜吸附构型，这不仅进一步增强了对Li₂S_x的吸附，还可以拉伸Li₂S_x的S-Li，加速Li₂S_x在正极界面的转化动力学。这一工作表明相互连接的多孔结构和不对称的V-S₁N₃位点可以同时实现多硫化物的快速扩散和高效的原位催化转化，从而为设计高能和稳定循环的锂硫电池提供了发展方向。论文的通讯作者是尹波教授，程冲教授和李爽研究员，四川大学为论文第一单位。

此外，李爽研究员及其合作团队近期围绕高性能锂硫电池电极材料方面展开的系列研究工作还发表了Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202215414,https://doi.org/10.1002/anie.202215414;Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202302276.https://doi.org/10.1002/anie.202302276;Adv. Funct. Mater.2024, 34, 2314593.https://doi.org/10.1002/adfm.202314593;Small,2024, 20, 2306991.https://doi.org/10.1002/smll.202306991等多篇研究型论文，四川大学均为第一单位。该系列研究成果得到了国家自然科学基金委、四川省科技厅、高分子材料工程国家重点实验室和中国博士后科学基金会等单位资助。