近日，我校化工學院張亞運副教授和龍東輝教授團隊在高能量密度鋰硫電池催化劑的設計方面取得新進展，該工作以“Enhanced Electron Delocalization Within Coherent Nano-heterocrystal Ensembles for Optimizing Polysulfide Conversion in High-Energy-Density Li-S Batteries”為題發(fā)表在Advanced Materials上。

鋰硫電池以其理論容量1675 mAh g^-1和出色的能量密度2600 Wh kg^-1而被認為是下一代能量存儲系統(tǒng)的有希望的競爭者。然而，在商業(yè)化過程中它們?nèi)匀淮嬖谥枰朔闹卮蠹夹g(shù)障礙，其中最具挑戰(zhàn)性的問題在于，硫和硫化鋰（Li₂S/Li₂S₂）的低電導率會引起緩慢氧化還原反應，導致實際容量不足和循環(huán)穩(wěn)定性差。此外，鋰多硫化物在電解液中的溶解導致有害的“穿梭效應”和電極體積膨脹，嚴重影響電化學循環(huán)性能。

對此，作者受拼圖游戲啟發(fā)并報告了一種催化劑設計策略，設計了一種由連貫的納米異質(zhì)晶體集合體組成的高活性表面催化劑。通過原位連貫晶界連接，組裝了大量的納米異質(zhì)晶體表面，形成了固有穩(wěn)定的納米晶體網(wǎng)絡。這增強了電子的去局域化，穩(wěn)定了高活性晶體表面，并促進了催化劑的整體表面活性。連貫的納米異質(zhì)晶體集合體完全貫穿整個基質(zhì)，在活性位點的暴露和活性物種的遷移優(yōu)化方面發(fā)揮了作用。結(jié)果顯示，該催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，基于NbN-NbC的鋰硫電池展示出顯著的放電容量（0.2C下為1270mA h g^-1）和優(yōu)秀的耐久性（平均容量衰減率為0.0382%每個循環(huán)）。使用先進的隔膜改性材料進一步有助于實現(xiàn)顯著的面積容量，并且當集成到可折疊/可彎曲的鋰硫袋式電池中時，突顯了高性能和實用鋰硫電池的發(fā)展前景。

圖片說明：共格納米異質(zhì)晶群CNEs的制備及在Li-S電池中的作用機制示意圖

實驗和DFT計算結(jié)果表明，碳納米異質(zhì)晶體對硫轉(zhuǎn)化和鋰擴散具有促進作用。通過原位拉曼光譜和原位光學顯微鏡技術(shù)，對催化機制進行了深入研究，并揭示了碳納米異質(zhì)晶體催化劑實現(xiàn)快速反應動力學和有效抑制多硫化物遷移的機制，從而展現(xiàn)出卓越的性能。研究中使用NbN-NbC作為隔膜改性劑，鋰硫袋式電池實現(xiàn)了高能量密度（>300 Wh kg^-1）并展示了出色的柔韌性，為高能量密度儲能系統(tǒng)提供了重要前景。本研究提出了一種開發(fā)高活性位點的創(chuàng)新電催化劑的有效策略，豐富了電催化劑的設計視角。

該工作第一作者為碩士研究生趙志強和潘禹錕，通訊作者為張亞運副教授和龍東輝教授。此外該研究成果得到了國家自然科學基金、上海市青年科技人才揚帆計劃、上海市人才發(fā)展資金項目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202310052