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中科院金屬所提出篩選鋰硫電池催化劑的新策略
時(shí)間:2022-09-01 17:55來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào) 作者:沈春蕾
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中國(guó)科學(xué)院金屬研究所（以下簡(jiǎn)稱金屬所）科研人員在前期高效鋰硫電池催化劑研究的基礎(chǔ)上，提出了篩選鋰硫電池催化劑的新策略。日前，相關(guān)研究成果發(fā)表于《儲(chǔ)能材料》（Energy Storage Materials）。
據(jù)了解，鋰硫電池具有能量密度高、硫單質(zhì)成本低廉和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，在替代鋰離子電池的新一代電化學(xué)儲(chǔ)能體系中極具競(jìng)爭(zhēng)力。硫正極的容量發(fā)揮與復(fù)雜的“固—液—固”多步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緊密相關(guān)，尤其是硫化鋰的沉積/解離過(guò)程，貢獻(xiàn)了鋰硫電池正極充放電容量的四分之三，是影響性能的重要過(guò)程。
然而，硫化鋰的絕緣性導(dǎo)致了電化學(xué)過(guò)程需要克服較高反應(yīng)活化能；電化學(xué)過(guò)程中硫化鋰形成是平面生長(zhǎng)，造成了電極表面的快速鈍化，從而導(dǎo)致硫化鋰的沉積/解離過(guò)程，動(dòng)力學(xué)緩慢和效率低。
近年來(lái)，過(guò)渡金屬基催化劑用于硫正極可有效降低反應(yīng)能壘，促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，提高活性物質(zhì)的利用率，但放電過(guò)程中，產(chǎn)物硫化鋰會(huì)覆蓋催化位點(diǎn)，降低后續(xù)反應(yīng)的電催化活性。電池體系中催化劑誘導(dǎo)的反應(yīng)物（產(chǎn)物）的導(dǎo)電屬性變化對(duì)性能的影響，尚未得到充分的認(rèn)識(shí)和研究。
金屬所科研人員通過(guò)誘導(dǎo)吸附于催化劑表面的硫化鋰的電子結(jié)構(gòu) “絕緣-金屬性”轉(zhuǎn)變，使被硫化鋰覆蓋的催化位點(diǎn)仍可作為電化學(xué)反應(yīng)的界面，從而實(shí)現(xiàn)高的硫化鋰沉積/解離效率。通過(guò)第一性原理計(jì)算，科研人員篩選出單原子銅催化劑作為模型催化劑，反應(yīng)界面快速的電荷轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了硫化鋰由二維平面生長(zhǎng)到三維球狀團(tuán)簇生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變。催化劑誘導(dǎo)的硫化鋰電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使鋰硫電池中催化位點(diǎn)的催化效率得到顯著提高，在高硫負(fù)載下獲得了優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。
上述工作以鋰硫電池體系為例，研究了催化劑誘導(dǎo)的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)物電子態(tài)變化所帶來(lái)的影響，為發(fā)展復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程和電池體系的高效電催化劑提供了新的研究思路。
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