苏州大学&清华大学AEM综述：介质材料设计对锂硫化学的电催化作用——进展和前景

由于较高的能量密度（2600 Wh·kg^-1）和理论比容量(1672 mAh·g^-1)，锂硫电池被认为是下一代先进的储能体系。然而，与传统的锂离子电池相比，锂硫电池的电化学反应过程不仅涉及了锂离子的脱嵌，而且还具有多步复杂的物相演变过程。因此，锂硫电池的实际应用化进程受到了诸多方面的挑战，主要包括了多硫化锂的穿梭效应和缓慢的电化学反应动力学过程。这些挑战造成活性材料硫的不可逆损失，硫的利用效率降低，电池的循环稳定性下降。基于上述科学和应用问题，有效抑制多硫化锂穿梭，合理化锂硫体系的电化学反应过程对改善电池的容量和循环寿命具有重要的意义。

近日，苏州大学孙靖宇教授和清华大学张强教授(共同通讯作者)团队总结了近期锂硫化学中催化介质材料的设计策略，旨在深入理解多硫化锂的演变机理，指导合理的体系设计，以实现高能量长寿命的锂硫电池。综述对锂硫化学中的电催化机理进行了详细讨论，从“界面工程设计”、“活性材料引入”和“双催化机制构建”三个方面总结了近期催化材料的研究进展，同时还对介质材料的未来发展方向进行了展望。该综述不仅加深了对多硫化锂演变和电化学反应机理的深入理解，而且还为设计高活性的催化材料，实现多硫化锂的有效管理，电化学反应过程的合理化提供了进一步的指导。相关综述以“Rationalizing Electrocatalysis of Li–S Chemistry by Mediator Design: Progress and Prospects”为题发表在Adv. Energy Mater.上。论文的共同第一作者为宋英泽博士、蔡文龙博士和孔龙博士。

图1. 锂硫化学中多硫化锂的演变机制

图2. 模板法合成介质材料并用于锂硫体系性能扩展

a) 以碳球为模板合成多孔VN并用于硫正极设计

b) 以硅藻土为模板合成多级孔道氮掺石墨烯并用于功能隔层设计

图3. “Goldilocks”准则用于描述过渡金属氧化物与多硫化锂的反应机制

a) 适用于“Goldilocks”准则的过渡金属氧化物与多硫化锂的作用机制；

b) 适用于“Goldilocks”准则的VO₂对多硫化锂的超快吸附行为。

图4 Li₂S的成核机制

图5 “VO₂-VN”界面对多硫化锂的管理及电化学反应的催化作用

图6 “Graphene-V₂O₃”界面对多硫化锂的管理及电化学反应的催化作用

图7 活性材料引入对多硫化锂的管理及电化学反应的调控作用

a) 3D氮掺石墨烯/TiN对锂硫体系电化学反应的调控作用

b) MoN-VN对锂硫体系电化学反应的调控作用

图8 “双催化”机制用于合理化锂硫体系电化学反应过程

a) Co-N-GC对锂硫化学的催化作用；

b) HPTCF对锂硫化学的催化作用；

c) 氧缺陷WO_3-x对锂硫化学的催化作用；

d) Co-N/G对锂硫化学的催化作用；

e) Tandem-RM对锂硫化学的催化作用。

图9 高活性催化材料对锂硫体系电化学反应的作用机制

综上所述，滞缓的电化学反应动力学过程限制了锂硫电池的电化学性能发挥，阻碍了其实际应用进程。在这方面，催化材料设计有利于合理化电化学反应过程，提升电池的性能，是一种合理和有潜力的研究策略。然而，为了更好地应对锂硫体系的科学和应用问题，更多有效的策略的提出和发展需要经过长期的机理理解和现实应用探索。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201901075

孙靖宇，2013年博士毕业于牛津大学，先后在北京大学纳米化学研究中心和剑桥大学“剑桥石墨烯中心”从事博士后研究。2017年3月，加入苏州大学能源学院任特聘教授、博士生导师；同年入选国家四青人才。目前担任“先进碳材料与可穿戴能源”研究组课题组长，主要从事可穿戴能源材料及器件、纳米碳材料及二维新材料的可控制备研究。现为九三学社社员，《科学通报》编委。

张强，清华大学化学工程系教授，主要从事能源材料包括金属锂、锂硫电池和电催化研究。曾获得国家自然科学杰出青年基金、中组部万人计划拔尖人才、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、2017-2018科睿唯安高被引科学家。现担任国际期刊J. Energy Chem.副主编，Adv. Mater. Interfaces、Sci. China Mater.、Sci. China Chem.、Philos. Trans. A编委，Energy Storage Mater.、Adv. Funct. Mater.客座编辑。