Carbon Energy:构建金属-硫相互作用实现室温锂/钠硫电池高性能硫正极

【研究背景】

硫作为传统正极的潜在替代材料,具有理论比容量高(1672mAh g-1)、环保且低成本的优点,长期以来一直被广泛应用于可充电电池体系中。因此,金属硫电池的研究受到越来越多的关注。室温下工作的可充电锂/钠硫电池(RT-Li/S电池和RT-Na/S电池)作为金属电池的重要组成部分,已经得到了广泛的研究和部分商业化发展。RT-Li/S和RT-Na/S电池体系具有金属理论能量密度高、化学性质相似、资源丰富、低温运行能力强和绿色环保等优点,这也使得它们能够成为未来最有前途的两种能量存储设备。然而,由于硫化合物的绝缘性和较差的反应性,导致硫利用率较差和可逆容量较低。此外,多硫化锂(LiPSs)/多硫化钠(NaPSs)的溶解会产生穿梭效应,溶解的LiPSs/NaPSs在循环过程中通过有机电解质在负极和正极之间迁移。因此,穿梭效应导致活性物质的损失,严重的容量衰减以及较差的循环稳定性,RT-Li/S和RT-Na/S电池在实际应用方面仍然面临着巨大的挑战。

为了解决这些问题,研究人员做出了许多努力。通过限制硫或在硫与基底材料之间建立化学键的方式提高Li/Na-S电池的电化学性能。硫基底包括碳材料(石墨烯、碳纳米片、碳纤维)、金属氧化物、金属硫化物以及金属。虽然不同的基底材料可以提高Li/Na-S电池的性能,但要达到实用性目标还需要进一步优化改善。近年来,为了进一步优化Li/Na-S电池的性能,金属被引入硫载体中。金属材料诸如单原子金属和金属团簇,由于其较大的原子利用率以及活性物质的高利用率而引起了广泛的关注。Arava的团队首次报道称,分散在石墨烯上的铂可以作为电催化剂,加速Li/S电池中多硫化物的转化动力学。与原始石墨烯相比,合成的石墨烯负载铂纳米粒子(Pt/石墨烯)的比容量提高了40%,在0.2C下的稳定性很好,循环100次后,库仑效率仍能达到99.3%。然而,RT-Li/S和RT-Na/S电池的存储机制类似,金属的引入能够改善体积膨胀以及负极Li/Na枝晶生长等问题。

【成果简介】

在这篇综述中,澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授联合上海大学乔芸团队,系统分析了金属负载在碳基材料上作为高效的硫正极电催化剂对RT-Li/S和RT-Na/S电池性能的影响。此外,总结了Li/Na存储机制和挑战,金属-硫相互作用机制,以及金属负载的Li/Na-S电池的电化学性能。然后,讨论了当前RT-Li/S和RT-Na/S电池面临的挑战和发展前景,以及解决这些问题的策略。希望该文章能够激发更多关于金属硫电池的研究。

本篇综述主要讲述了金属作为电催化剂对RT-Li/S和RT-/Na/S电池的影响,从以下四个方面总结了金属硫作用机制:(1)固硫作用;(2)金属的催化能力;(3)抑制硫以及硫化物的溶解,缓解穿梭效应;(4)改善硫/硫化物的导电性。比表面积大的多孔结构可以储存更多的硫,相对于硫与多孔结构之间弱的物理吸附作用,化学吸附可以缓解硫及硫化物在循环过程中的损失。在充放电过程中,具有高电催化活性的金属不仅能降低多硫化物的分解势垒从而加速长链多硫化物的氧化还原反应,而且可以缓解多硫化物在电解液中溶解。针对RT-Li/S和RT-Na/S电池中硫及放电产物导电性低的问题,具有高电导率的金属能在很大程度上改善这一问题。不同的金属具有独特的催化效果,而且不同金属的掺杂也能起到协同作用,所以对掺杂比例的探究也很重要。目前催化金属的种类和负载量的研究还比较局限,负载的基底材料还有比较大的研究空间,另外研究人员对金属催化机理的了解还不够透彻,所以本篇综述有助于搭建电池和电催化剂领域联系的桥梁,为各种电池技术,特别是RT-Li/S和RT-Na/S电池的发展提供新的电极材料设计的探索依据。这些新型硫正极的设计能够极大地推动Li/Na-S电池的实际应用。

文章以题为“Manipulating metal–sulfur interactions for achieving high performance S cathodes for room temperature Li/Na-sulfur batteries”发表于Carbon Energy (DOI:10.1002/cey2.101)。

图1 Li/S或Na/S电池性能相关因素的概览图,包括Li/Na存储机制和挑战,金属-硫相互作用机制,电化学性能