澳大利亞伍倫貢大學梁驥、遼寧工程技術大學洪曉東鋰硫電池綜述:鋰硫電池中化學吸附和催化轉化材料的最新研究進展

2021-01-20 JEnergyChem

近年來，鋰硫電池領域取得了重大研究進展。然而鋰硫電池的商業化仍發展緩慢，主要歸因於以下幾個方面。

第一，硫的體積膨脹現象及其絕緣性；

第二，多硫化鋰的穿梭效應；

第三，不同多硫化鋰中間產物之間緩慢的轉化動力學；

第四，鋰枝晶的形成及鋰負極的缺點。

這些問題限制了鋰硫電池的長循環穩定性和倍率性能。在硫正極領域，化學作用相比於物理受限作用能夠更有效地錨固多硫化鋰中間產物進而提高鋰硫電池的長循環穩定性。除了化學吸附策略，電催化概念也被引入到鋰硫電池化學中。

自2015年以來，許多電催化材料被報導用於調控Li2S不溶物的沉積，用於加速多硫化物的轉化速率（氧化還原動力學）和鋰離子的擴散速度、降低電池內阻，這些電催化效應可以提高鋰硫電池的容量和倍率性能。

This review mainly focuses on the design and fabrication of materials with chemical adsorbing/binding capabilities to LiPSs and electrocatalytic activities to accelerate the conversion of LiPSs for Li–S batteries.

近期，澳大利亞伍倫貢大學梁驥博士應邀對鋰硫電池中化學吸附和催化轉化材料進行了評述，文章第一作者為遼寧工程技術大學洪曉東教授。

為了克服鋰硫電池的硫的絕緣性、體積膨脹、多硫化物的穿梭效應和緩慢的多硫化物轉化動力學，具有化學吸附和電催化特徵的硫載體材料的設計開發迫在眉睫。這篇評述中，作者詳細總結了具有化學吸附和電催化活性的硫載體材料的理論設計和可控制備研究進展。此外，作者對當前這兩類材料設計過程中存在的挑戰提出了可行的解決方案。

該論文「Recent advances in chemical adsorption and catalytic conversion materials for Li–S batteries」發表在Journal of Energy Chemistry 期刊上。

如圖1所示，化學吸附材料分為七大類：雜原子摻雜碳材料、導電和不導電聚合物、氮化物、氧化物、硫化物、氫氧化物、MXenes和碳化物。論文詳細介紹了這七大類型材料的設計製備研究進展。

根據電催化機理，電催化材料可分成三大類：

第一類為極性硫載體，包括石墨相氮化碳、磷烯納米片、金屬納米粒子（如Au、Pt，Ni和Co）、金屬氧化物（如MoO2/MoO3、Nb2O5、CeO2、VO2和RuO2）、鎳鐵層狀氫氧化物、硫化物、氮化物、碳化物和其他金屬化合物（如FeP、CoPC、Ag-POM）。

第二類為金屬氧化物δ-MnO2、 VO2、 CuO和V2O5，這類材料能夠在硫載體表面生成S2O3−基團來調控不同多硫產物之間的氧化還原反應。

第三類電催化材料包括Se和Te摻雜硫，這類材料通過加速鋰化和去鋰化反應以及增加鋰離子的擴散速度來參與電催化作用。

此外，作者對鋰硫電池中電催化作用的表徵技術進行總結，包括電池的恆流充放電曲線、CV曲線評價以及無鋰負極對稱電池的製備及電催化作用評價，原位和離位表徵技術等。

綜上所述，本工作總結了鋰硫電池中的化學吸附及電催化材料，綜述了硫載體材料的選擇、設計和製備，並詳細介紹了電催化作用的材料類型和表徵手段。該工作為開發高性能鋰硫電池材料提供了有效的選材設計手段及理論指導。

Recent advances in chemical adsorption and catalytic conversion materials for Li–S batteries

Xiaodong Hong, Rui Wang, Yue Liu, Jiawei Fu, Ji Liang*, Shixue Dou

Journal of Energy Chemistry, 42, 144-168 (2020) 

DOI: 10.1016/j.jechem.2019.07.001

2014年獲得博士學位，目前主要從事納米儲能材料與器件的基礎及應用研究，所開發的材料用於新型非貴金屬催化、鋰硫電池、鋰離子電池等領域。過去五年，其學術成果累計引用5200餘次。

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