张山青/陆俊Mater. Today：锂硫电池催化材料的机理、设计策略和未来展望

锂硫电池（LSB）因其超高的理论能量密度和低成本的活性正极材料而成为后锂离子电池技术的有吸引力的候选者。然而，LSBs的商业化仍然极具挑战性，主要是由于循环性能和安全问题不佳，这是由S₈和Li₂S的低电导率、严重的多硫化物穿梭以及固体Li₂S₂/Li₂S沉积引起的高极化造成的。

在此，澳大利亚格里菲斯大学张山青教授及美国阿贡国家实验室陆俊研究员等人综述了Li-S化学每个转化步骤的催化机制以及LSB催化材料的最新进展。作者首先研究了LSB中硫物种的演变，并探索了催化材料在充电/放电过程中的作用，重点介绍了在固体S₈到液体多硫化物和固体Li₂S₂到Li₂S的催化作用。

此外，作者总结了从原子到宏观水平的催化效率提升策略，包括缺陷工程、形态工程和催化剂复合，以提高硫过冷、快速电荷转移、硫代硫酸盐生成、二硫键断裂、可调节的Li₂S生长和Li₂S分解增强。所提议的催化材料的设计和可用性将进一步推动LSB技术从纽扣/软包电池到随后的商业化规模大发展。

图1. LSB的放电反应机理

尽管该领域已经取得了长足的进步，但仍然存在相关的挑战尚未解决，作者认为需要进一步研究的重要科学问题包括：

（1）需要适当的表征技术，尤其是原位表征对催化机制进行深入理解和验证，以观察硫物种和催化材料的瞬时变化；

（2）应探索更多与固体S₈到液体LiPS和固体Li₂S₂到Li₂S的转化过程相关的催化材料和机理理解；

（3）跨学科研究将为设计高效催化材料提供创造性的方法；

（4）固态LSB由于其高理论能量密度和安全性而引起广泛关注，需要进一步了解其工作机制；

（5）锂硫电池的商业化进程受到恶劣的实际操作条件的阻碍，循环稳定性和倍率性能仍远不能令人满意。因此，强烈推荐高效、轻质、低成本、结构可控的催化材料。

图2. LSBs复合催化剂的设计策略

Catalytic materials for lithium-sulfur batteries: mechanisms, design strategies and future perspective, Materials Today 2021. DOI: 10.1016/j.mattod.2021.10.026

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张山青/陆俊Mater. Today：锂硫电池催化材料的机理、设计策略和未来展望

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