乔世璋院士 Nature子刊展望：非锂金属硫电池中的电催化材料

第一作者：叶超，李欢

通讯作者：乔世璋教授*

单位：阿德莱德大学，香港城市大学

近日，来自阿德莱德大学的乔世璋教授，在国际知名期刊Nature Communications 上发表题为“The role of electrocatalytic materials for developing post-lithium metal||sulfur batteries”的展望文章。该观点文章对定量参数和硫电催化转化机制进行了分析。此外，评估了在非水系 Na/K/Mg/Ca/Al||S 和水系 Zn||S 电池中通过均相和异相电催化方法研究电化学硫转化的进展。最后，文章对设计实用的金属硫电池的潜在研究方向进行了展望。

几种非水系的金属硫电池来说硫载量普遍在1mg cm^-2左右，电流密度在200mA g^-1以下，而对于水系锌硫电池来说硫载量和倍率性能相对高一些，而且具备更低的价格和更高的安全性。器件的研究以钠硫软包电池为例，注意到硫的占比不高（浅蓝色的6.3%），并且电解液的占比偏高（橙色的37.2%），得到器件的能量密度是109Wh kg^-1，这也是目前少数的软包电池之一。

比容量达到1200mAh g^-1和工作电压接近2V是非常关键的，他们与软包电池能量密度呈正比的线性关系，正极中的硫含量需要达到60%以上，硫载量达到5 mg cm^-2，以保证较高的能量密度（300Wh kg^-1）。贫电解液条件，即电解液用量与硫的比例在5 μL mg^-2或以下，和不过量的金属负极，即负极与正极的比例接近1，这两个参数对于达到高的能量密度也非常重要。

想要达到比较高的能量密度需要同时满足所有苛刻的关键参数要求，同时非锂金属在自然界中的丰度比锂高有降低成本的潜力，因此可能更适合用于大规模储能。这些关键参数和挑战（比如硫正极的容量发挥与保持以及贫电解液条件下的挑战等）大多数都跟硫转化反应的动力学密切相关，那么通过研究硫转化反应的机理和动力学特性，并且引入高效的电催化剂加快转化反应对于推动金属硫电池的实用化应该是切实可行的。

要点四：金属硫电池面临的挑战

对于不同的金属-硫电池，它们都有一些共性问题，例如低硫含量、高电解液用量、低功率密度、低库伦效率和不稳定的循环。时，它们也各自具有一些个性问题（红色×），例如：在钠硫和钾硫电池中，由于多硫化物溶解度大，它们的穿梭效应更严重；对于钙硫和镁硫电池来讲，它们的硫利用率很低，且没有稳定的电解液选择；对于铝硫电池来讲，多硫化物是微溶的，反应动力学比较差，硫和硫化铝的转化效率低；对于锌硫电池来讲，一些副产物例如H2S和H2等制约了电池的循环性能。

我们将溶解度分为可溶，微溶, 难溶和不溶，分别讨论了不同金属硫电池中的反应路径和催化机理

为了兼容不同的金属负极，不同金属硫电池所使用的电解液不同，（这些不同的溶剂，盐和阳离子）导致了多硫化物溶解度的差异，造成金属硫电池中存在不同的反应路径，速率控制步骤和关键多硫中间体。

The role of electrocatalytic materials for developing post-lithium metal||sulfur batteries

乔世璋教授，澳大利亚科学院院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工与材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、电池、光催化等。作为通讯联系人，在 Nature、Nature Nanotechnology、Nature Energy、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials 等国际顶级期刊发表学术论文超过530篇，引用129,346次，h指数为184 （Google Scholar）。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业界桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow）， 2021年南澳年度科学家奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编和 Journal of Materials Chemistry A副主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家。