近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所喻學(xué)鋒課題組和清華大學(xué)深圳國際研究生院周光敏副教授團(tuán)隊(duì)合作，在材料領(lǐng)域頂級刊物Advanced Materials在線發(fā)表綜述文章“Catalytic Effects of Electrodes and Electrolytes in Metal-Sulfur Batteries: Progress and Prospective”。文章聚焦高能量密度、低成本的金屬-硫電池體系的學(xué)術(shù)問題和實(shí)際應(yīng)用問題，例如正極多硫化物的溶解-穿梭問題，金屬負(fù)極的枝晶生長問題等，首次從催化效應(yīng)的角度系統(tǒng)討論了硫陰極、金屬陽極和電解質(zhì)的設(shè)計(jì)策略，并系統(tǒng)地討論了催化效應(yīng)在實(shí)現(xiàn)高性能金屬-硫電池方面面臨的挑戰(zhàn)和前景。本工作為金屬-硫電池領(lǐng)域的新人提供了具有實(shí)際應(yīng)用前景的電催化劑設(shè)計(jì)策略。喻學(xué)鋒研究員和周光敏副教授為本文共同通訊作者，曾林超助理研究員為本文的第一作者。
論文上線截圖
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204636
電催化效應(yīng)在氧還原反應(yīng)(ORR)、析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)中起著重要作用。這一策略在鋰-硫電池中得到了應(yīng)用，并已在其他金屬-硫電池體系中應(yīng)用。在硫陰極上，催化效應(yīng)可以降低硫與金屬離子在電化學(xué)循環(huán)過程中的反應(yīng)勢壘，改善反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過程，并在充放電過程中實(shí)現(xiàn)更高的多硫化物中間體轉(zhuǎn)化率。此外，通過減少多硫化物的擴(kuò)散時(shí)間，可以緩解穿梭效應(yīng)，提高電池的電化學(xué)穩(wěn)定性和壽命。對于金屬陽極，副反應(yīng)和枝晶的不受控生長構(gòu)成了挑戰(zhàn)。例如，從鋰/鈉陽極上脫落的一些鋰/鈉枝晶被稱為“死鋰/鈉”，這些電導(dǎo)能力差的“死鋰/鈉”的不斷產(chǎn)生，從而形成多孔的鋰/鈉陽極，造成金屬陽極在循環(huán)過程中電化學(xué)性能的不斷惡化。為了提高金屬陽極的性能，一種有效的催化效應(yīng)策略是利用具有豐富活性位點(diǎn)的基底來降低金屬離子的成核能壘，從而實(shí)現(xiàn)金屬的均勻沉積，抑制枝晶的生長。
到目前為止，市場上還沒有商用的鋰-硫電池。鋰-硫電池行業(yè)目前主要停留在企業(yè)和高校的中試規(guī)模生產(chǎn)階段，鋰-硫電池的產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)研究之間存在著巨大的差距，就像兩條平行線。在鋰-硫電池的學(xué)術(shù)研究方面，近幾十年來發(fā)表了很多論文，取得了豐碩的成果。許多先進(jìn)的碳材料已經(jīng)在報(bào)道的論文中合成，但大多數(shù)難以大規(guī)模生產(chǎn)。由于市場上缺乏適合鋰離子電池的碳材料，鋰離子電池的商業(yè)化進(jìn)程緩慢。此外，在學(xué)術(shù)研究中，鋰-硫電池的庫侖效率通常在99%以上，而鋰-硫軟包電池的庫侖效率很難達(dá)到98%。雖然硝酸鋰添加劑可以緩解這種現(xiàn)象，但它也會(huì)導(dǎo)致鋰-硫電池的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，雖然電催化劑在鋰-硫系統(tǒng)中的應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)問題已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但對其實(shí)際應(yīng)用的研究還很少。為了加快鋰硫電池電催化劑在商用電池中的應(yīng)用，還需要在實(shí)際的應(yīng)用條件下對電極和電池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
金屬-硫電池的發(fā)展現(xiàn)狀圖
目前，一些文章綜述了金屬- 硫電池的研究進(jìn)展，但對催化劑在非鋰- 硫電池中的應(yīng)用研究還較少。此外，這些文章傾向于關(guān)注硫陰極的催化作用，而很少關(guān)注陽極和電解質(zhì)的催化作用。然而，高性能的金屬- 硫電池需要考慮電池的所有組成部分，如陰極、陽極和電解質(zhì)。因此，金屬-硫電池所涉及的催化效應(yīng)需要深入探討，尤其是在未來商用金屬-硫電池中的實(shí)際應(yīng)用。本文綜述了近年來金屬-硫電池催化效應(yīng)的研究進(jìn)展。以鋰-硫電池和室溫鈉-硫電池為例，討論了硫陰極和金屬陽極的充放電機(jī)理，并從催化效應(yīng)的角度描述了硫陰極、金屬陽極和電解質(zhì)的設(shè)計(jì)策略。本文還討論了鉀-硫、鈣-硫、鎂-硫和鋁-硫等其他金屬-硫電池。介紹了電催化劑在鋰-硫系統(tǒng)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，并對其面臨的挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行了展望。
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