浙大韩伟强AFM：用于先进锂硫电池的杂原子掺杂材料综述

锂硫电池的实际应用仍然是一个巨大的挑战，活性硫导电性差、正极体积膨胀、多硫化锂（LiPSs）穿梭效应等极大地限制了电池的容量，导致循环性能不理想。因此，硫主体材料应具有良好的导电性、多孔结构和对LiPS的强大固定能力。

在此，浙江大学韩伟强教授等人讨论和总结了将杂原子掺杂（包括非金属原子掺杂和金属单原子掺杂）引入传统碳材料（石墨烯、碳纳米管等）和新材料（gC₃N₄和MXenes、金属化合物等）作为 Li-S电池中的硫主体材料，详细概述了硫主体材料的独特特征和电化学性能改善的机制。

杂原子掺杂的碳材料可以为LiPS提供强大的化学吸附，从而提高容量和循环稳定性；通过引入N掺杂，gC₃N₄和MXenes具有前所未有的特性，包括增强的导电性和改进的LiPSs固定能力。此外，作者还提出了杂原子掺杂硫主体材料的挑战和前景。

图1. gC₃N₄的制备过程示意图及其掺杂和应用

对于碳材料，实现LiPS固定和电导率之间的平衡对于优化Li-S电池的电化学性能具有重要意义，需要对其机理有更多的了解；对于gC₃N₄，与导电碳材料的复合可能是提高导电性的更好选择，需要合理设计gC₃N₄与碳的配比；

此外，N掺杂量对MXenes和随后的电化学性能的影响尚未明确，需要更多的研究来确定最佳值。对于金属单原子催化剂（SAC）：

1）应进一步验证金属含量对导电性等其他性能的影响；

2）应进一步制定普适性制备策略；

3）开发单原子掺杂金属化合物对于实现高体积能量密度的锂硫电池是必要的；

4）需要进行更多研究以确定哪种金属原子是SAC获得最佳性能的最佳选择。

图2. 金属单原子掺杂金属化合物示例

总之，尽管杂原子掺杂策略面临很多挑战，但在未来实现高能量密度和长循环寿命的锂硫电池方面显示出广阔的前景。

A Review of Heteroatom Doped Materials for Advanced Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202107166