宁波大学PNAS：首次报道铅硫电池，彻底解决穿梭效应和枝晶难题！

作为下一代电池最有前途的阴极材料之一，硫已被广泛用于有机系金属-硫电池，特别是Li-S电池。然而，有机电解质本身的局限性（例如，低离子电导率、易燃性和挥发性）、多硫化物穿梭效应、锂枝晶以及电池系统在放电和充电过程中的大体积变化都是有机锂电池需要解决的紧迫问题。

在这种情况下，近年来（13-20年），研究人员开始关注高离子导电性、不易燃和化学温和的水系金属-硫电池。在这些对水系金属-硫电池的研究中，Cu-S、Fe-S和Zn-S系统因其高可逆容量和水系电解质的优异循环性能而备受关注。与此同时，水系金属-硫电池的阴极材料和电解质也在逐步进行优化。然而，没有发现新的金属硫化学来承担能量存储任务，对新系统的探索似乎已经进入了一个瓶颈期。

宁波大学材料科学与化学工程学院舒杰教授在PNAS上发文，Synergistic dual conversion reactions assisting Pb-S electrochemistry for energy storage，首次报道基于双转换反应的Pb-S电池。

根据对各种M-S系统的三个热力学参数的分析：

1. 金属硫化物[M_xS_y]在水溶液中的溶解度；

2. 充放电过程中金属硫[M-S]电池系统的体积变化；

3. S/M_xS_y阴极氧化还原对的电势。

作者发现，PbS具有低溶解度，并且Pb-S电池反应过程中体积变化小，与此同时，S/PbS氧化还原对在这些S/M_xS_y氧化还原对中也显示了合适的电位值（0.376 V）。

因此，作者正式报告了这种由协同双转换反应（阴极：S⇄PbS，阳极：Pb²⁺⇄PbO₂）构成的水系Pb-S电池。与其他金属-硫电池相比，水系Pb-S电池在理论上具有巨大优势，PbS固有的不溶性使水系Pb-S系统没有穿梭效应。此外，具有稳定成核率的Pb-S系统的转换型负极赋予了它无枝晶的性质，这与传统的剥离/电镀式电极的金属-硫电池大不相同。

得益于这些非凡的特性，水系Pb-S电池表现出1343.9 mAh g_S⁻¹的高放电容量，400个周期后容量保留率为71.4%。此外，这种Pb-S系统的可行性在由S阴极和Zn阳极{S|Pb(NO₃)₂IIZn(NO₃)₂|Zn}组成的杂交电池中得到了进一步证明，该电极的能量密度为930.9 Wh kg_S⁻¹。

图1. Pb-S化学的热力学分析

图2. 正极转换反应机理

图3. 负极转换反应机制

图4. 水系Pb-S电池的电化学性能

舒杰，教授，浙江省优秀教师、浙江省三育人先进个人。入选浙江省院士结对培养青年英才计划、浙江省高校领军人才培养计划、浙江省151人才工程第二层次、宁波市领军和拔尖人才工程第一层次。获浙江省高校优秀科研成果奖等奖项10余项，承担国家863计划（子课题）1项、国家自然科学基金3项，曾受邀为140多家国际期刊担任审稿人、受邀为Irish Research Council等多个组织担任评审专家。

研究方向：二次电池材料与体系，包括水系与非水系单价离子电池、多价离子电池和双离子电池

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2118675119