宋英泽/周光敏课题组Advanced Materials：基于电解液工程设计同核铜配合物用作锂硫电池均相催化剂- 大数跨境

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宋英泽/周光敏课题组Advanced Materials：基于电解液工程设计同核铜配合物用作锂硫电池均相催化剂

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2024-07-26

导读：宋英泽/周光敏课题组Advanced Materials：基于电解液工程设计同核铜配合物用作锂硫电池均相催化剂

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文章信息

基于电解液工程设计同核铜配合物用作锂硫电池均相催化剂

第一作者：杨琴，申仕英

通讯作者：张青春*，周光敏*，宋英泽*

单位：西南科技大学，清华大学深圳国际研究生院

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研究背景

严重的多硫化物穿梭、迟缓的硫转化反应动力学过程以及锂枝晶生长等问题，大大降低了锂硫电池的放电容量、循环寿命和使用安全性。催化剂的使用在很大程度上能同步实现硫和锂物种演化行为的调控，被认为是改善锂硫电池上述科学性问题的有效手段。

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文章简介

近日，来自西南科技大学的宋英泽课题组和清华大学深圳国际研究生院周光敏课题组合作，在材料领域顶级期刊Advanced Materials发表题为《An Electrolyte Engineered Homonuclear Copper Complex as Homogeneous Catalyst for Lithium–Sulfur Batteries》的研究论文。该工作提出了一种电解液中原位生成的双核铜配合物，作为均相催化剂同时实现对硫转化和锂物种演化行为的调控，从而提升了锂硫电池的电化学性能。

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本文要点

要点一：电解液中原位合成双核铜均相催化剂

本文利用双氯桥连的双铜金属配合物经过两次阴离子取代，最终在电解液中形成单氯桥连的双核铜金属配合物，形成最终的均相催化剂Cu-2-T。该催化剂在电解液中良好的稳定性为其在锂硫电池中的实际应用提供了保障。为更大限度提升催化位点，论文探究了该均相催化剂的饱和浓度。研究发现，当Cu-2-T在电解液中的含量为0.25 wt%，接近饱和，这进一步增强了对锂硫电池电化学反应的均相优化功能。

图1. Cu-2-T均相催化剂的结构、稳定性、对多硫化锂吸附及硫转化反应决速步分析。

要点二：双核铜均相催化剂对硫转化反应的调控

电化学测试、同步辐射X射线3D纳米断层扫描、小角中子散射结果揭示，精心设计的Cu-2-T提供了完全活性的位点和足够的接触，可均匀地引导Li₂S成核/分解反应。

图2. Cu-2-T对硫转化反应均相催化效应分析

要点三：双核铜均相催化剂对锂演化行为的引导

该均相催化剂能增强锂离子迁移、促进形成更稳定的SEI膜，从而实现负极锂的均相沉积，抑制枝晶生长。原位光学显微镜、原子力显微镜、小角中子散射技术、COMSOL研究结果确定了该均相催化剂作用下，锂的界面工作状态得到优化。

图3. 基于电化学、光学显微镜及AFM分析锂的演化行为

图4. 基于小角中子散射和COMSOL仿真研究锂的沉积行为。

要点四：双核铜均相催化剂促进锂硫电池的稳定循环

得益于双铜均相催化剂的充分活性位点和高活性，正极处硫反应动力学得到有效催化，锂离子实现了负极处的均匀沉积。在 0.2 C 时，锂硫扣式电池循环100圈容量保持率从 51.4% 提高到 86.3%；锂硫软包电池在1 C倍率下，循环200圈容量保持率为84.6%，显示了该均相催化剂作用下电池优异的稳定稳定性。

图5. Cu-2-T均相催化剂对锂硫电池电化学性能的优化

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文章链接

An Electrolyte Engineered Homonuclear Copper Complex as Homogeneous Catalyst for Lithium–Sulfur Batteries

https://doi.org/10.1002/adma.202405790

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第一作者简介

杨琴，本科毕业于重庆师范大学，硕士毕业于四川大学，现为西南科技大学材料科学与工程专业2020级定向培养博士研究生，师从宋英泽副教授。研究方向为基于锂硫化学的有机小分子催化，截至目前，以第一作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文5篇，作为第二发明人申请并转化国家发明专利1项。

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通讯作者简介

宋英泽，西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室副教授、博士生导师。2019年博士毕业于苏州大学新能源科学与工程专业。针对高性能二次电池体系的前瞻性基础研究和产业化应用探索。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、Nano Energy、Adv. Sci.等期刊发表科研论文80余篇，被引6000余次。担任中国颗粒学会青年理事、Nano-Micro Lett.、Environ. Energy Mater.、Chinese Chem. Lett.等期刊的编委/青年编委，入选 2023年斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”。

周光敏，清华大学深圳国际研究生院副教授，博导。2014年博士毕业于中国科学院金属研究所，2014–2019年，先后于美国UT Austin、斯坦福大学从事博士后研究。主要研究方向为电化学储能材料与器件及电池回收，已发表论文190余篇，其中第一作者及通讯作者论文包括Nat. Nanotechnol.、Nat. Energy、Nat. Sustain.、Chem. Rev.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、PNAS、Adv. Mater.、JACS/Angew、Energy Environ. Sci.等，被引 33500多次（Google Scholar），2018–2022连续5年入选科睿唯安全球高被引科学家。担任期刊Energy Storage Mater.副主编/科学执行编辑。

张青春，西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室副教授，硕导，四川省海外高层次留学人才。博士毕业于西南科技大学材料科学与工程专业，2021-2022年度于澳门大学应用物理与材料工程研究院从事博士后研究工作。主要针对“双碳”的国家重大战略目标和区域产业经济发展需求，开展清洁能源的高效存储与利用技术研究，以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.、J. Energy Chem.等期刊发表论文30余篇。

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课题组介绍

宋英泽课题组隶属于西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室，现有四川省“天府峨眉”计划青年人才3名，四川省海外高层次人才2名，具有博士学历的固定科研人员6名，博士及硕士研究生30余名。课题组面向国家“双碳”战略和经济主战场的重大需求，发挥多学科交叉融合研究优势，开展针对高性能二次电池体系的前瞻性基础研究和产业化应用探索，所取得的成果被人民日报、科学网、学习强国等广泛报道，得到了同行的认可与采用。累计获得国家自然科学基金、四川省自然科学基金、百万级企业技术开发项目等科研经费资助800余万元，申请国家发明专利20项，获中国产学研合作创新奖1项（2021）。