华中科技大学王得丽教授， Adv. Energy Mater. 综述观点：锂硫电池中的协同催化

第一作者：秦金磊

通讯作者：王得丽*

单位：华中科技大学

锂硫电池具有高理论能量密度(2600 Wh/kg)和低成本等优点，是最具发展潜力的下一代新型电池体系之一。然而，其商业进程仍然受到多方面限制。一方面，锂硫电池中存在复杂的多相反应，在充放电过程中需要克服多个反应能垒，并且中间产生可溶性多硫化锂（Li₂Sn，2<n≤8）在浓度梯度驱动下产生穿梭效应，导致电池容量下降快，寿命低。另一方面，液固转化作为其中反应动力学的决速步需要克服较大的反应能垒，造成实用条件下的动力学缓慢。采用杂原子掺杂碳或者发展极性催化剂是解决上述问题的有效策略。然而，单一原子的掺杂或催化剂的使用往往效果单一，作用有限，难以满足锂硫电池复杂的多步反应体系。构建杂原子共掺杂导电碳，设计催化剂和杂原子掺杂碳双活性点以及同步使用双催化剂是实现高硫载量、贫电解液条件下高放电容量、长循环寿命的有效策略。

近日，来自华中科技大学的王得丽教授课题组，在国际顶级期刊Adv. Energy Mater.上发表题为“Engineering Cooperative Catalysis in Li–S Batteries”的综述文章。该文章全面梳理了目前锂硫电池中存在的不同协同催化作用，同时对相关的机理进行了详细的归纳和总结，最后文中对协同催化效应和锂硫电池的进一步发展进行了多方面的设想与展望。

对于共掺杂工程: 位于碳基体内缺陷边缘的杂原子掺杂位点对多硫化物具有良好的吸附和催化作用。与单掺杂相比，

1) 杂原子掺杂工程增强了各亲锂组分对多硫化物的化学吸收；

2) 共掺杂工程能有效提升基底电子导率；

3) 杂原子掺杂工程通常为多硫化物的吸附和催化提供了优化的p带中心和适度的键能。

对于催化剂和杂原子掺杂碳设计：

1) 与共掺杂工程相比，应用亲硫纳米金属化合物催化剂可以暴露出丰富的活性位点，并与亲锂杂原子掺杂碳结合，实现更强的协同锚定多硫化物效果；

2) 将两个具有不同物理化学性质的组分之间的距离接近于特征距离，可以优化协同效果；

3) 杂原子掺杂可以调节催化剂的电子结构和配位环境，提高催化剂的电导率，引入额外的阴离子空位，使催化中心的金属元素的d带中心更接近费米能级，从而有效地提高了多硫化物的吸附和转化动力学。

整合极性催化剂策略：

1) 两种化合物形成的孪生异质界面不仅继承了它们各自的功能，而且还产生了超过它们所提供的单个优点(如导电性，吸附性和锂离子扩散能力)的协同性能；

2) 催化金属原子的电子结构可以被另一种对应物调制，诱导d带中心向费米能级移动;；

3) 由通过硫键相互作用锚定和催化多硫化物的双端结合位点和其他通过锂键结合并转化多硫化物的双端结合位点组成为开发协同催化效应和实现锂电池实用化提供了新的途径；

4) 精心布置的两种无异质界面的电催化剂可逐步选择性地吸附和催化多硫化物在充放电过程中的多步反应。

多孔、大表面积、自支撑结构等多重优势的碳材料与纳米级高活性催化剂的开发目前是相对独立和复杂的，它们的一体化开发仍然是缺乏的。这方面我们仍然需要投入更多的精力。

尽管催化剂在促进硫与Li₂S/Li₂S₂之间的转化取得了巨大突破，但催化剂诱导的S-S / Li-S键的化学断裂与可持续活性位点可及性以及无障碍的质量/电子传递之间的协作关系仍然不明确。此外，催化剂的催化活性与其吸附能力之间的关系，这一关系到催化的可持续性的方面仍旧缺乏普遍的认识。这些挑战需要基于许多原位表征技术(如原位拉曼、XRD、TEM、XANES等和详细的理论计算来进行定量分析和合理的理论指导。

金属锂作为负极材料是与硫的高放电容量相匹配的必然选择。近年来，一些文章在同时调节多硫行为和抑制锂枝晶生长方面具有很高的相容性，但在充放电过程中仍然会不可避免地会出现致命的锂枝晶问题。此外，醚基电解液和锂的易燃性威胁着锂硫电池的安全性。因此，全固态电解质可能是解决这一安全威胁的一个不错的选择。

Engineering Cooperative Catalysis in Li–S Batteries

王得丽 教授简介：华中科技大学教授/博士生导师，2008年获得武汉大学博士学位；2008-2012年先后在新加坡南洋理工大学和美国康奈尔大学做博士后，2013年初任华中科技大学化学与化工学院教授。获得获中组部海外Gaocengci人才计划、教育部“新世纪优秀人才支持计划”、湖北省化学化工青年创新奖、“中表镀-安美特”青年教师奖。

主要研究领域为新型电化学能源与环境材料的设计以及性能优化。在Nat. Mater.、Nat. Commun.、JACS等期刊上发表SCI论文100余篇，获授权美国发明专利2项、中国发明专利11项。主持Guojia自然基金重大研究计划培养项目、青年项目、面上项目、博士点新教师基金、湖北省科技晨光计划等项目。担任《J. Chem. Phys.》副主编，《电化学》、《中国化学快报》、《储能科学与技术》、《Nano Materials Science》、《Energy & Fules》、《J. Phys. Energy》杂志编委。

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