科技前沿
西安交通大学的研究团队开发了一种创新的二硫化锡嵌入多孔碳球的复合材料（SnS₂@CS），用于锂硫电池，显著提升了电池性能。该材料具有高电导率和大比表面积，有效加速了多硫化物的转化动力学，抑制了穿梭效应。实验显示，在0.5C电流密度下，电池可逆容量高达868 mAh/g，容量保持率为96%，在2C电流密度下，展现出852 mAh/g的高倍率性能，且1000个循环后容量衰减率仅为每循环0.029%。另外，该团队借助MatCloud+平台进行了深入的理论计算，为这一突破性成果提供了坚实的理论基础，推动了能源存储技术的发展。研究成果以题为《Tin disulfide embedded on porous carbon spheres for accelerating polysulfide conversion kinetics toward lithium-sulfur batteries》的文章于2023年4月发表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊第635卷上。
随着便携式设备和电动汽车的快速发展，对高能量密度的能源存储系统的需求日益迫切。锂硫（Li-S）电池因其高理论比容量（1675 mAh/g）、高能量密度（2600 Wh/kg）、原料丰富和环境友好性而被视为新一代能源存储系统的有力候选。然而，Li-S电池的实际应用受到了硫导电性差、多硫化锂（LiPS）的穿梭效应、充放电过程中的体积膨胀以及锂枝晶生长等问题的严重制约。这些问题导致了低放电容量、差循环稳定性，甚至潜在的安全风险。为了解决这些问题，研究者们致力于开发新型的硫宿主材料、改进隔膜以及探索高效的催化材料来优化Li-S电池的电化学性能。
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结构优化：利用密度泛函理论（DFT）对SnS₂@CS的晶体结构进行了优化，预测了其在不同晶面上的稳定性和电子结构。
吸附能计算：计算了多硫化物（Li₂Sx，x=1,2,4,6,8）在SnS2和CS表面的吸附能，以评估SnS₂@CS对多硫化物的吸附能力。
扩散势垒分析：研究了Li₂S在SnS₂和CS表面的扩散势垒，以了解不同材料表面对LiPS转化动力学的影响。
电子结构分析：通过投影态密度（PDOS）分析了SnS₂与多硫化物之间的电子相互作用，揭示了SnS₂对多硫化物的化学吸附机制。
动力学模拟：模拟了多硫化物在SnS₂@CS表面的转化过程，预测了其对电化学反应动力学的促进作用。
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图 2. 含不同催化剂的锂硫电池的电化学性能：（a）循环伏安法 (CV) 曲线。（b）循环前的电化学阻抗谱 (EIS)。（c）0.05C 下的恒电流充电/放电曲线。（d）不含 LiNO₃ 添加剂的 Li-S 电池的穿梭电流测试。（e）含不同催化剂的电池的倍率性能。（f）不同电流密度下 SnS₂@CS 基电池的充放电曲线。（g）0.2C 下 S 质量负载为 3.1 mg/ cm² 的各种催化剂的电池的循环性能。（h）电流密度为 0.5C 时的循环性能。（i）2C 下 SnS₂@CS 基电池的长寿命测试。（j）基于各种催化剂的 Li-S 电池与其他已发表研究的比较。
图 6. (a) 未改性电池和 (b) 基于SnS₂@CS 的电池在放电过程中不同电压状态下的拉曼信号。(c) 未改性电池和 (d) 基于 SnS₂@CS 的电池在 0.2C 下不同循环的奈奎斯特曲线。100 次循环后的锂阳极数码照片对应于 (e) 未改性电池和 (f) 基于 SnS₂@CS 的电池。(g,h) 电池传统 PP 隔膜和 (i,j) 基于 SnS₂@CS的电池的锂阳极的顶视图和横截面 SEM 图像。
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MatCloud+能源科技
MatCloud+是一个强大的材料计算模拟平台，它为科研人员提供了一系列的计算工具，包括第一性原理计算、分子动力学模拟、电子结构分析等。这些工具极大地加速了新材料的设计与发现过程，让研究者能够更快速、更深入地理解材料的内在性质。MatCloud+与西安交通大学的这次合作，不仅展示了SnS2@CS材料在锂硫电池中的潜力，也彰显了MatCloud+在推动能源科技前沿研究中的重要角色。随着计算能力的不断增强和新材料的不断涌现，MatCloud+将继续作为科研人员探索未知领域的强大工具。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.12.089
