高达1508 mAh/g！汪国秀，发表Angew！
锂-硫电池（LSBs）具有理论比容量高、理论能量密度高、硫资源储量丰富、电极成本低、环境友好等优点，已成为新一代储能器件的理想选择之一。然而，许多挑战持续阻碍着LSBs的进一步发展，其中最可怕的障碍是固有的穿梭效应和由穿梭效应引起的安全问题。
在此，悉尼科技大学汪国秀，西班牙加泰罗尼亚能源研究所Andreu Cabot等人引入了阴离子掺杂的过渡金属硫属化物作为加速Li-S反应的有效催化剂。具体而言，具有 Se 空位的掺碲碳载硒化铋 (Te-Bi2Se3-x@C)作为 LSB正极中的硫主体。其中，Te掺杂会引起晶格畸变并调节Bi原子的局部配位环境和电子结构，从而提高多硫化物转化的催化活性。此外，产生的 Se 空位改变了原子缺陷位点周围的电子结构，增加了载流子浓度，并激活不成对的阳离子以有效捕获多硫化物。
基于此，基于 Te-Bi2Se3-x@C/S 正极的 LSB 在 0.1C 下表现出 1508 mAh·g-1 的出色比容量、5C的优异倍率性能。在6.4 mg·cm-2的高硫负载量下，0.1C电流倍率下正极容量保持超过8 mAh·cm-2，在贫电解液条件下（6.8 μL·mg-1）循环300次后仍保持6.4 mAh·cm-2。
图1. Te-Bi2Se3-x@C的制备及结构表征
总之，该工作证实了 Bi2Se3 中阴离子掺杂对于增强 LSB 性能的有效性。具体而言，在 Te 掺杂的 Bi2Se3 中，Te 占据 Se 位置。由于其原子尺寸较大会产生 Se 空位，从而导致电极材料中自由载流子的浓度增加。
此外，未配对Bi阳离子的增加为LiPS吸附和催化反应提供了额外的活性位点，从而促进了硫转化动力学。同时，Te 掺杂会引起 Bi2Se3材料内的晶格畸变，导致晶胞的正/负电荷中心向负方向移动。
基于此，Te-Bi2Se3-x@C正极表现出出色的电化学性能，包括高比容量（0.1C时高达1508 mAh·g-1）、优异的倍率性能和长循环寿命即使在高硫负载和贫电解液条件下也具有稳定性。因此，该项工作为阴离子掺杂层状金属硫属化物催化剂的战略设计提供了宝贵的见解。
Anionic Doping in Layered Transition Metal Chalcogenides for Robust Lithium‐Sulfur Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2024 DOI: 10.1002/anie.202420488
汪国秀 悉尼科技大学杰出教授，澳大利亚研究理事会Industry Laurate Fellow获得者，欧洲科学院院士，清洁能源中心主任，博士生导师。汪教授的研究方向囊括各类能源转化和储存方面的材料设计和系统优化，在Nature Energy, Nature Catalysis, Nature Communications, Science Advances, Nature Reviews Materials, Chemical Society Reviews, Chemical Reviews等知名期刊发表超过800篇文章，多年连续被选为全球高被引科学家，总引用次数超过80000余次，h-index 156。
