高载量单原子催化剂调控多/硫化锂转化与沉积助力高比能锂硫电池

锂硫电池能量密度超高(2600kW/kg)、在可再生能源存储、电/混合动力汽车等领域具有低成本、环境友好等特点。然而，锂硫电池的实际应用仍然极大地局限于正极硫，主要包括硫及其放电产品的绝缘、巨大的体积膨胀、多硫化物的穿梭效应和多硫化物转化动力学缓慢。极性电催化材料的结构和使用不仅能有效调节多硫化锂的吸附，还能催化其复杂的多相转化过程，提高电池的可逆容量、倍率和循环性能。单原子催化剂材料中，单原子催化剂（SACs）原子利用率高，活性位点丰富，电子结构独特，引起了广泛关注。但是，目前的报道SACs通常只有较低的金属含量 (<5 wt%)，不能充分发挥SACs锂硫电池的催化作用。此外，SACs目前尚未报道锂硫电池放电产物硫化锂沉积的影响。

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心孙永明研究小组与周军研究小组合作制备了一种高金属钴单原子含量 (15.3 wt%) 钴/氮/碳单复合材料（CoSA-N-C），实现了对Li-S硫化锂在电池中的转化和沉积调节。理论和实验结果显示出大量的理论和实验结果Co-N4配置结构的存在可以有效地促进多硫化锂的吸附和催化，加速其氧化还原动力学过程，有效地抑制多硫化锂的穿梭效果。同时这种CoSA-N-C硫化锂纳米颗粒沉积均匀，大大提高了硫的利用率。因此，硫负荷为4.9 mg cm-2下，这种CoSA-N-C@S正极在0.2 C下循环120圈后仍保持4圈.24 mAh cm-容量保持率为91.8%的高面积容量。

图 钴/氮/碳单复合材料调节(多)硫化锂转化沉积示意图及其电池循环性能。

本工作提出的单原子催化剂调节(多)硫化锂转化沉积战略是为了促进高比能Li-S电池电极的设计提供了新的思路。相关研究成果Fast Conversion and Controlled Deposition of Lithium (Poly)sulfides in Lithium-Sulfur Batteries Using High-Loading Cobalt Single Atoms 能源领域顶级期刊Energy Storage Materials 上。

来源：武汉光电国家研究中心：