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中科院金屬所提出篩選鋰硫電池催化劑的新策略 實現(xiàn)高的硫化鋰沉積/解離效率

2022-08-31 18:37:46來源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：147 評論

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導(dǎo)讀：硫化鋰的絕緣性導(dǎo)致了電化學(xué)過程需要克服較高反應(yīng)活化能；電化學(xué)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(dǎo)致硫化鋰的沉積/解離過程，動力學(xué)緩慢和效率低。

　　鋰硫電池是鋰電池的一種。典型的鋰硫電池一般采用單質(zhì)硫作為正極，金屬鋰片作為負(fù)極，它的反應(yīng)機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學(xué)機理。單質(zhì)硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，與商業(yè)上廣泛應(yīng)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(xué)儲能體系中極具競爭力。
 
　　硫化鋰的絕緣性導(dǎo)致了電化學(xué)過程需要克服較高反應(yīng)活化能；電化學(xué)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(dǎo)致硫化鋰的沉積/解離過程，動力學(xué)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(yīng)能壘，促進電荷轉(zhuǎn)移，提高活性物質(zhì)的利用率，但放電過程中，產(chǎn)物硫化鋰會覆蓋催化位點，降低后續(xù)反應(yīng)的電催化活性。電池體系中催化劑誘導(dǎo)的反應(yīng)物(產(chǎn)物)的導(dǎo)電屬性變化對性能的影響，尚未得到充分的認(rèn)識和研究。
 
　　中國科學(xué)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(chǔ)上，提出了篩選鋰硫電池催化劑的新策略?？蒲腥藛T通過誘導(dǎo)吸附于催化劑表面的硫化鋰的電子結(jié)構(gòu) “絕緣-金屬性”轉(zhuǎn)變，使被硫化鋰覆蓋的催化位點仍可作為電化學(xué)反應(yīng)的界面，從而實現(xiàn)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(yīng)界面快速的電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)了硫化鋰由二維平面生長到三維球狀團簇生長的轉(zhuǎn)變。催化劑誘導(dǎo)的硫化鋰電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(fù)載下獲得了優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。
 
　　上述工作以鋰硫電池體系為例，研究了催化劑誘導(dǎo)的電化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)物電子態(tài)變化所帶來的影響，為發(fā)展復(fù)雜反應(yīng)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(guān)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(fā)表于《儲能材料》(Energy Storage Materials)。
 
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