Small Methods:碳负载单原子在锂-硫电池中的应用和展望

得益于高理论容量密度(2600 Wh kg-1),锂-硫电池有望成为下一代的电化学储能体系,并且在最近十多年取得了令人瞩目的发展。然而锂-硫电池存在的几个问题阻止了其商业化的进展,这些问题包括多硫化物的穿梭效应而引起的硫的低利用率和电池的容量衰减,绝缘性的硫和放电产物硫化锂所导致的缓慢的反应动力学,以及锂枝晶造成的短路问题等。尽管各种纳米结构的金属氧化物/硫化物已经被广泛采用作为吸附多硫化物的载体和促进反应的催化剂,并且取得了较好的电化学性能。但是较低的导电性和较弱的催化活性仍然阻止了其在锂-硫电池领域的进一步发展。因此,寻找一种合适的催化剂就成了当前面临的主要问题。相对而言,由于单原子(Single Atoms, SAs)具有高表面自由能,100%原子利用率,非饱和配位环境,量子尺寸效应和独特的电子结构,所以展现出较高的催化活性,已经在电催化领域(二氧化碳还原反应,析氢反应,氧还原反应等)得到了广泛的研究。而且SAs负载在碳材料上不会对导电性产生影响,因此SAs在锂-硫电池中有很大的发展前景。

北伊利诺伊大学和阿贡国家实验室的李涛博士等从SAs在正极,隔膜,锂金属负极三个方面综述了负载在碳上的SAs在锂-硫电池中的研究进展。SAs在锂-硫电池中起到了三个重要作用,即通过降低反应能量势垒来催化多硫化物转化反应,吸附长链多硫化物以抑制穿梭效应,和作为锂的沉积位点来引导锂的均匀沉积。该综述主要从SAs负载在碳上的合成和制备思路来解决锂-硫电池所面临的主要问题,主要集中在以下四个方面:1)提高SAs的负载量。更大的SAs负载量意味着将会有更多的催化和吸附活性位点。为了防止SAs在制备过程中发生团聚,SAs在碳材料上的载量通常都较低。为了提高SAs载量,可以通过提高在碳中掺杂N, S, O等异质原子来提供更多的N/S/O-SA化学键以保持SAs的稳定性。同时大比表面积的碳材料也是SAs的理想载体。2)双单原子活性位点。由于锂-硫电池在充放电过程中经历了固态(S8)–液态 (Li2Sx, 4 ≤x ≤ 8)–固态(Li2S2 and Li2S)的可逆转变,针对不同的反应阶段需要不同的催化剂来达到最优的催化效果。另外,不同SAs之间的配位差异同样会影响其催化活性。3)调节SAs的配位结构。配位环境对SAs的催化活性有很大的影响。除了常见的SA-N4配位结构,制备出SA-N2-C/S等不同的配位结构并研究其对锂-硫电池的电化学性能的影响也是必要的。4)普适的大规模制备SAs方法。目前常用的热解法制备SAs会消耗大量的能量,寻找低能耗的制备方法对于SAs的产业化应用有着至关重要的作用。研究者相信高催化活性的SAs作为催化,吸附,和形核位点为锂-硫电池面临的问题提供了新颖的解决方法。该综述还讨论了SAs在锂-硫电池中的机遇和发展方向。相关论文在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000315)上。

相关工作得到了美国能源部下属的联合储能研究中心和北伊利诺伊大学的资助和支持。