中科院金屬所提出篩選鋰硫電池催化劑的新策略 實現高的硫化鋰沉積/解離效率
【化工儀器網 項目成果】鋰硫電池是鋰電池的一種。典型的鋰硫電池一般采用單質硫作為正極，金屬鋰片作為負極，它的反應機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學機理。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，與商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池相比，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，在替代鋰離子電池的新一代電化學儲能體系中極具競爭力。
硫化鋰的絕緣性導致了電化學過程需要克服較高反應活化能；電化學過程中硫化鋰形成是平面生長，造成了電極表面的快速鈍化，從而導致硫化鋰的沉積/解離過程，動力學緩慢和效率低。
近年來，過渡金屬基催化劑用于硫正極可有效降低反應能壘，促進電荷轉移，提高活性物質的利用率，但放電過程中，產物硫化鋰會覆蓋催化位點，降低后續反應的電催化活性。電池體系中催化劑誘導的反應物(產物)的導電屬性變化對性能的影響，尚未得到充分的認識和研究。
中國科學院金屬研究所(以下簡稱金屬所)科研人員在前期高效鋰硫電池催化劑研究的基礎上，提出了篩選鋰硫電池催化劑的新策略。科研人員通過誘導吸附于催化劑表面的硫化鋰的電子結構 “絕緣-金屬性”轉變，使被硫化鋰覆蓋的催化位點仍可作為電化學反應的界面，從而實現高的硫化鋰沉積/解離效率。通過第一性原理計算，科研人員篩選出單原子銅催化劑作為模型催化劑，反應界面快速的電荷轉移實現了硫化鋰由二維平面生長到三維球狀團簇生長的轉變。催化劑誘導的硫化鋰電子結構轉變使鋰硫電池中催化位點的催化效率得到顯著提高，在高硫負載下獲得了優異的倍率性能和循環性能。
上述工作以鋰硫電池體系為例，研究了催化劑誘導的電化學反應過程產物電子態變化所帶來的影響，為發展復雜反應過程和電池體系的高效電催化劑提供了新的研究思路。
相關研究成果Electronic structure adjustment of lithium sulfide by a single-atom copper catalyst toward high-rate lithium-sulfur batteries于近日發表于《儲能材料》(Energy Storage Materials)。
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