电化学分子印迹催化剂使高能量密度锂硫电池成为可能

发布时间：2024-08-16 14:36:58 栏目：精选知识

导读 高能量密度是未来电池发展的重要方向。锂硫(Li-S)电池因其高的理论能量密度而备受关注。然而，硫的固-液-固转化速度慢，特别是充电过程中硫...

高能量密度是未来电池发展的重要方向。锂硫(Li-S)电池因其高的理论能量密度而备受关注。然而，硫的固-液-固转化速度慢，特别是充电过程中硫化锂(Li 2 S)的氧化需要克服较大的反应势垒，导致Li 2 S转化不完全和电极钝化。因此，电池的能量密度和循环性能仍然达不到商业化要求。近年来，引入催化已成为增强正极动力学和增加硫利用率的有效策略。然而，固相催化剂与固体Li 2 S之间有限的接触和弱的相互作用严重限制了硫的有效可逆转化，特别是在高硫负载和贫电解液下，从而极大地制约了Li-S电池的能量密度和循环稳定性。



该项研究由清华深圳国际研究生院吕伟教授和天津大学、新加坡国立大学-天津大学联合学院杨全宏教授牵头，合作研究组利用金属硫化物(MS)的不可逆脱锂特性，开发出一种适用于锂硫电池的电化学分子印迹技术。具体而言，通过锂化/脱锂工艺预嵌入Li 2 S，在MS中构建Li 2 S印迹缺陷，再用酒精洗涤去除Li 2 S。结构表征表明，由于Li 2 S的去除，催化剂中形成了硫空位，这种特殊的缺陷使得催化剂能够选择性地与目标产物Li 2 S结合。

研究人员还通过对不同MS的测试证明了该方法的普适性，催化剂性能与硫空位含量呈正相关，说明MS中针对Li 2 S定制的缺陷可显著促进反应。经过材料筛选，通过QCM证明了MI-Ni 3 S 2对Li 2 S的靶向吸附效果，并通过Li 2 S活化电位实验证明了其对Li 2 S氧化的高催化转化效果。进一步利用DFT阐明了其机理：这种定制的缺陷使得催化剂能够与反应物Li 2 S中的Li原子特异性结合，延长Li-S键，从而降低充电过程中的反应能垒，最终加速Li 2 S转化为硫。

电池性能方面，在实际条件下，组装的Ah级Li-S软包电池稳定循环超过100次，以总质量计算，能量密度超过300 Wh/kg。此外，在极低电解液(E/S=1.8 μL/mg S)下，该团队利用该催化剂成功开发出能量密度为502 Wh/kg的电池，超越了目前大多数已报道作品的性能。

总而言之，所提出的合成方法为棘手的 Li 2 S 解离问题提供了理想的解决方案，而这一问题对于 Li-S 电池的最终工业化至关重要。更有希望的是，这项工作提供了一种有效的方法，更重要的是，提供了一种合成具有良好管理的固-固界面的实用催化剂的理论基础，而这些催化剂并不局限于高能硫基电池。