【儀表網 儀表研發】近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組研究員吳忠帥團隊與有機-無機雜化材料研究組研究員楊啟華團隊合作，發展出一種單原子鋅修飾的中空碳球納米反應器。該反應器可同時用作鋰硫電池正極、負極的基體，提高對多硫化物的催化活性并抑制鋰負極枝晶的生長，應用該反應器的高比能鋰硫全電池具有高載量、高倍率、長循環的性質。
 

　　鋰硫電池是鋰電池的一種，截止2013年尚處于科研階段。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg，遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一種對環境友好的元素，對環境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池。
 

　　鋰硫電池具有較高理論能量密度(2600Wh/kg)和比容量(1675mAh/g)，被認為是具有潛力的下一代高能量密度的電化學儲能技術。但正極多硫化物的穿梭效應、轉化動力學緩慢、負極的鋰枝晶生長等導致鋰硫電池的容量較低、安全性能不高、循環穩定性差，這限制了其商業化發展。因此，設計一種輕質量、高導電、高催化活性、優異親鋰位點、高機械強度的載體材料，同時能抑制多硫化物穿梭和金屬鋰枝晶的鋰硫全電池，是目前突破鋰硫電池應用瓶頸的一種有效方法。
 

　　鋰硫電池的充放電原理：典型的鋰硫電池一般采用單質硫作為正極，金屬鋰片作為負極，它的反應機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學機理。
 

　　鋰硫電池以硫為正極反應物質，以鋰為負極。放電時負極反應為鋰失去電子變為鋰離子，正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鋰硫電池的正極和負極反應逆向進行，即為充電過程。根據單位質量的單質硫完全變為S2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質量比容量為1675 mAh/g，同理可得出單質鋰的理論放電質量比容量為3860 mAh/g。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當硫與鋰完全反應生成硫化鋰(Li2S)時。相應鋰硫電池的理論放電質量比能量為2600 Wh/kg。
 

　　硫電極的充電和放電反應較復雜，截止2013年對硫電極在充電和放電反應中產生的中間產物還沒有明確的認識。鋰負極與硫正極的充放電反應如式(1-1)至式(1-4)所示，硫電極的放電過程主要包括兩個步驟，分別對應兩個放電平臺。式(1-2)對應S8的環狀結構變為Sn2-(3≤n≤7)離子的鏈狀結構，并與Li+結合生成Li2Sn，該反應在放電曲線上對應2.4—2.1V附近的放電平臺。式(1-3)對應Sn2-離子的鏈狀結構變為S2-和S22-并與Li+結合生成Li2S2和Li2S，該反應對應放電曲線中2.1—1.8V附近較長的放電平臺，該平臺是鋰硫電池的主要放電區域。Yuan Lixia等人研究了鋰硫電池中硫正極的電化學反應過程。他們認為放電時位于2.5—2.05V電位區間對應單質硫還原生成可溶的多硫化物及多硫化物的進一步還原，位于2.05—1.5V電位區間對應可溶的多硫化物還原生成硫化鋰固態膜，它覆蓋在導電碳基體表面。充電時，硫電極中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-(6≤m≤7)，并不能完全氧化成S8，該充電反應在充電曲線中對應 2.5 ~ 2.4V 附近的充電平臺。
 

　　該研究針對鋰硫電池存在的問題和遭遇的關鍵技術瓶頸，結合吳忠帥團隊在高性能鋰硫電池體系和楊啟華團隊在高效納米反應器催化體系的研究，發展出原子尺度的、單原子鋅修飾的中空碳殼納米反應器。該反應器具有較高的比表面積、多級的孔結構、良好的親鋰金屬表面、優異的催化活性。將其同時應用于鋰硫電池的正極和負極，提升了正極對多硫化物的吸附催化轉化能力，抑制了負極的鋰枝晶生長。該電池在700圈長循環條件下，容量衰減率僅0.015%；在高電流密度條件下，仍有989mAh/g的比容量。此種中空碳殼納米反應器的設計策略，為基于轉化反應的鋰硫電池等高能密度能源器件的設計提供參考。
 

　　相關研究成果發表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上。研究工作得到國家重點研發計劃、中科院潔凈能源創新研究院等的資助。
 

　　資料來源：百科、大連化學物理研究所