余彦/刘军AM综述: 高能量密度锂硫电池单原子催化剂的开发进展

尽管锂硫电池是有前途的下一代储能系统，但其实际应用受到锂枝晶生长和多硫化锂穿梭的限制，这些问题可通过使用单原子催化剂（SACs）来缓解。SACs具有最大的原子利用效率（~100%）和独特的催化性能，从而有效地提高了电极材料在储能装置中的性能。

在此，中国科学技术大学余彦教授、华南理工大学刘军教授等人研究了该领域的最新进展，包括对该机制的分析和讨论到影响SACs活性的因素和制备策略等。SACs可以极大地加速缓慢的相转移反应并阻碍可溶性LiPS的穿梭及锂枝晶的形成，以实现高CE和长期可循环性。具体来说，当用作锂金属负极的主体材料时，具有许多孤立亲锂位点的SAC会降低成核过电位。

此外，SACs的内在活性不仅促进了Li⁺扩散，还有助于S物种的转化。SACs的柔性基底可以缓解Li负极和S正极在重复充放电过程中的体积变化，而SACs对LiPSs的优异吸附能力有助于减少活性S材料的损失，提高S的利用率。此外，轻质SAC在用作隔膜和夹层组件时还可以降低电池的整体质量从而提高能量密度，SACs在其他金属-S电池中的进一步开发也得到了扩展。

图1. SACs在锂硫电池中的功能作用及最新进展

最后，作者强调了SAC在锂硫电池中使用的挑战和未来的研究方向：

（1）由于其高表面能，稳定和高负载的SAC仍然难以制备。因此，有必要建立通用、低成本的合成工艺以实现高负载量SACs并促进其商业化。

（2）需要开发新的辅助材料，各种杂原子的开发和配位结构的富集可用于构建高活性的SACs。

（3）开发更先进的原位表征方法和深入了解催化机制，将为制定有效的SAC优化指南和Li-S电池的商业化铺平道路。

（4）锂硫电池未来的商业化应考虑活性材料质量和电解液/S比等关键因素。

图2. SAC在锂硫电池中的应用目标和挑战

Advances in the Development of Single-Atom Catalysts for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202200102

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余彦/刘军AM综述: 高能量密度锂硫电池单原子催化剂的开发进展

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