JPCL快讯｜电子化合物新领域：阴离子电子调控助力锂硫电池

通讯作者：李川川，中国科学院青岛生物能源与过程研究所；赵明文，山东大学；陈刚，山东师范大学

作者：Siyun Qi（齐思云），Chuanchuan Li（李川川），Junru Wang（王君茹），Xiaohan Song（宋晓涵），Mingwen Zhao（赵明文），Gang Chen（陈刚）

自然界中的物质，其电子通常围绕原子核周围运动，但有一类特殊的化合物，电子游离于原子核之外，局域在晶格间隙的位置，称为电子化合物。该化合物中的一部分电子不依托特定的元素，独立作为阴离子，因此该材料往往具有极低的功函数和优异的给电子能力。近年来，电子化合物在催化、磁性、超导等领域表现出诱人的应用前景。那么当电子化合物遇到锂硫电池，会碰出怎样的火花？

图1. 当电子化合物“邂逅”锂硫电池。

近日，山东师范大学大学陈刚教授、山东大学赵明文教授和中国科学院青岛生物能源与过程研究所李川川助理研究员在 JPC Letters 上发表了表面官能团化调控二维电子化合物阴离子电子应用于锂硫电池的研究（图1）。本文创新性地采用M₂C (M = Sc, Y)二维电子化合物作为研究对象，该电子化合物化学式为[M₂C]²⁺·2e⁻，其阴离子电子夹在两层阳离子之间，形成受限的二维电子气（图2）。通过第一性原理计算，系统的研究了电子化合物在硫正极的作用机制，并提出表面官能团化来调控电子化合物的活性，同时揭示了阴离子电子在吸附多硫化锂和促进硫的催化转化过程中所起的关键性作用。这也是电子化合物在锂硫电池中的首次报道。

图2. 电子化合物结构和电子局域函数。

基于第一性原理计算，研究团队首次报道了电子化合物这类材料在锂硫电池中的应用。研究表明二维电子化合物M₂C (M = Sc或Y)由于高表面活性使得硫分子自发裂解，因此表面官能团化处理是非常必要的。四种可能的表面处理（O, S, Cl和F）中只有氯化和氟化的M₂C是稳定结构。而氟化的电子化合物无论是在对多硫化锂的吸附能力和硫的催化转化都表现出最为优异的性能。同时研究团队发现M₂C中过渡金属不同，也能够影响电子化合物对硫物种的吸附和催化能力。另外，进一步与非电子化合物比较发现电子化合物中的阴离子电子的存在有利于硫还原反应的进行，可能是由于多硫化物通过锂键与阴离子电子发生相互作用。这项工作将推动电子化合物在锂硫电池中的研究。 

相关论文发表在 JPC Letters 上，山东师范大学齐思云博士为文章的第一作者，山东师范大学大学陈刚教授、山东大学赵明文教授和中国科学院青岛生物能源与过程研究所李川川助理研究员为共同通讯作者。

陈刚

山东师范大学物理与电子科学学院教授、博导、泰山学者海外特聘专家，兼任山东物理学会常务理事、山东物理学会计算物理专业委员会负责人、中国材料研究会计算材料分会全国委员、亚洲计算材料学会会员。2002年于中国科学院获得理学博士学位，先后在中国科学院固体物理研究所、中国科学院理论物理研究所、香港中文大学、香港科技大学、日本东北大学金属材料研究所、美国弗吉尼亚联邦大学从事过科学研究工作。 

赵明文 

山东大学物理学院教授，副院长。长期从事凝聚态理论和材料计算研究，在低维材料的电子结构和缺陷效应等方面取得了多项研究突破，解决了低维材料器件应用中的一些基础问题，提出的理论模型被国内外多个实验课题组验证，并成功地实现了器件应用，先后承担完成了国家973、国家自然科学基金重大研究计划、重点项目和面上项目等课题，形成了且具有一定特色和影响力研究方向。累计在Physical Review Letters, Advanced Materials 和Nano Letters 等著名学术期刊上发表SCI 论文 360余篇，被SCI引用10000余次 （h-index=54）, 2014-2021年连续8年入选“中国高被引学者（物理天文类）”。入选国务院政府特殊津贴专家、教育部新世纪优秀人才支持计划, 山东省“泰山学者”特聘教授、山东省有突出贡献中青年专家、山东大学特聘教授，2003年获教育部自然科学一等奖（第三完成人），2010年获教育部高等学校优秀科研成果自然科学二等奖（第一完成人），2017年获山东省自然科学一等奖（第一完成人），2018年获得“宝钢”的优秀教师奖。 

李川川 

中国科学院青岛生物能源与过程研究所助理研究员，于2014年和2019年在山东大学化学与化工学院分别获得学士和博士学位，师从徐立强教授。2019年加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员课题组，从事博士后研究。主要从事高比能锂硫电池和低成本钠钾电池的研究，包括电极材料和电解液及其界面等。在能源、材料和化学等方面的国际权威杂志如Adv. Energy Mater.、Nano Today、Energy Storage Mater.、Chem. Mater.和J. Phys. Chem. Lett.等发表文章20余篇，作为负责人主持国家自然科学基金青年项目等。