苏大孙靖宇团队AFM：双金属合金提升双向多硫电催化用于打印化锂硫电池- 大数跨境

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苏大孙靖宇团队AFM：双金属合金提升双向多硫电催化用于打印化锂硫电池

科学材料站

2020-10-17

导读：本文通过双金属MOF原位热解策略制备CoFe合金电催化剂，探索了双向的多硫电催化效应，同时利用3D打印技术构造了高负载硫正极。

文章信息

苏大孙靖宇团队AFM：双金属合金提升双向多硫电催化用于打印化锂硫电池

First Published 13 October 2020

作者：史子雄，孙中体，蔡京升，樊赵地，金佳，王梦蕾，孙靖宇*

单位：苏州大学

导读

锂硫电池由于诸多优点已经获得了诸多科研工作者的关注，目前限制其大规模应用的瓶颈主要在于多硫化锂的穿梭效应和氧化还原动力学缓慢等。

基于以上现状，苏州大学能源学院的孙靖宇教授团队在Advanced Functional Materials上发表题为“Boosting Dual-Directional Polysulfide Electrocatalysis via Bimetallic Alloying for Printable Li–S Batteries”的研究论文。

苏州大学硕士研究生史子雄为第一作者；孙靖宇教授为通讯作者；孙中体博士和博士研究生蔡京升为共同第一作者。

导师专访

锂硫电池因其高的能量密度、低成本和环境友好等特性，作为新一代的储能体系受到广泛关注。然而，充放电过程中缓慢的氧化还原动力学反应，以及中间多硫化物的穿梭效应仍然限制了高性能锂硫电池的商业化应用。

解决上述问题的关键之一是设计有效的电催化剂，促进锂硫电池的氧化还原动力学。基于此，我们课题组设计了CoFe合金嵌入的介孔碳球作为锂硫电池的正极宿主；利用CoFe合金强劲的催化活性可以有效促进对多硫化物双向催化，以调节和改善锂硫电池的倍率性能和循环稳定性。

同时，我们利用3D打印技术构造高负载硫正极，得益于优异的电催化效应和调控的孔道结构，实现了优异的倍率性能和面容量。

图1. 图片摘要

具体而言，本文通过双金属MOF原位热解策略制备CoFe合金电催化剂，探索了双向的多硫电催化效应，同时利用3D打印技术构造了高负载硫正极。

利用电化学分析测试，原位拉曼表征和DFT计算，本文揭示了双金属合金化有利于促进双向的多硫电催化效应。这种合金电催化剂作为锂硫电池正极媒介可以实现优异的倍率（在3.0 C的电流密度下获得694 mAh g-1的容量）和循环性能（在2.0 C的电流密度下进行500周循环后，每周的容量衰减率仅为0.062%）。

并且打印硫正极实现在7.7 mg cm-2 高硫负载下的高面容量6.0 mAh cm−2。这种合金工程策略对锂硫系统中高效电催化剂的设计具有重要意义，同时打印技术为构造高负载电极，实现高面容量提供了新的思路。

研究背景

1.锂硫电池中电催化剂设计

对于锂硫电池而言，发展具有强的多硫化物催化转化能力的正极媒介材料是加强反应动力学，构建高性能锂硫电池的关键。但是在锂硫氧化还原的反应过程中，对于氧化过程的研究却鲜有报道。

除此之外，相较于团簇或者单原子催化剂的设计合成，双金属合金催化剂在锂硫系统中受到关注很少。基于双金属MOF前驱体我们合成了CoFe合金嵌入的介孔碳球作为电催化剂，利用电化学动力学测试，原位拉曼表征和DFT计算，探索了合金电催化剂在锂硫电池中对于多硫化物的双向作用机制。

2.3D打印硫正极

3D打印技术被认为是一种有效构筑高负载多孔道电极的策略。但是其在锂硫电池中的应用仅仅局限于纯碳宿主负硫之后的打印，这样构筑的高负载硫正极对于多硫的吸附和催化效果不佳，难以实现高面容量和稳定循环。因此，我们将CoFe合金电催化剂引入打印硫正极，以期望实现高负载下锂硫电池的高容量和长续航。

导师专访

通过电化学动力学测试，原位拉曼表征和DFT计算，探究了合金催化剂对于双向多硫电催化反应的促进作用，为锂硫系统中合理设计金属基电催化剂提供了思路。此外，通过挤出式3D打印技术构造了高负载硫正极，获得优异的倍率性能和面容量，有利于拓宽打印技术在储能体系中的应用。

核心内容

本文中，作者通过电化学动力学测试，原位拉曼表征和DFT计算，揭示了双金属合金化有利于促进双向的多硫电催化效应，同时将这种具有电催化效应的媒介用于3D打印构筑的高负载硫正极，取得优异的电化学性能（图1）。与单金属催化剂相比，合金催化剂可以同时实现对于多硫中间体的强劲催化，Li2S沉积的促进，以及Li2S分解的加速，从而获得快速的氧化还原反应动力学，实现了高倍率和循环稳定性的锂硫电池的构筑。

作者还通过3D打印技术构筑了高负载硫正极，兼具高稳定性，高催化活性和多级孔道的特点，优化了高负载下的离子传输和电化学动力学，从而获得了优异的倍率性能和面容量。这项工作为硫正极媒介材料中金属基电催化剂的设计提供了思路和借鉴，激发研究者对于锂硫反应氧化过程的关注，同时也拓宽了打印技术在构筑高负载电极方面的应用。

第一作者专访

1.该研究的设计思路和灵感来源

现如今金属基电催化剂在锂硫系统中受到了广泛关注，但大多数工作关注于降低金属的尺度以提高其电催化活性。双金属合金电催化剂却几乎尚未报道，而且对于锂硫氧化过程的催化效应也鲜有关注。除此之外，高负载锂硫电池由于受阻的离子传输和严重的多硫穿梭难以获得高容量和长续航。3D打印技术通过定制化的层层堆叠，有助于实现高负载且多孔道电极的构造。

2.该实验难点有哪些？

1）锂硫反应氧化过程的动力学分析，原位表征和理论模拟

2）打印高负载硫正极的成型与应用

3.该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

1）对锂硫电池氧化过程反应动力学的关注

2）通过3D打印技术构造的高负载硫正极中引入具有电催化效应的硫宿主

第一作者介绍

史子雄，研究生

2019年6月本科毕业于苏州大学能源学院。2019年9月-至今为苏州大学能源学院硕士研究生，导师为孙靖宇教授。主要从事锂硫电池的研究，包括硫正极电催化剂的设计和锂负极保护策略的探索。入学以来以第一作者在Advanced Functional Materials期刊发表论文1篇；以联名作者发表论文在ACS Nano、Nano energy等期刊。荣获苏州大学本科生学习优秀一等奖，苏州大学研究生学业奖学金二等奖等。

文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006798

孙靖宇教授课题组链接

http://www.sunjingyulab.com