徐明/周光敏等，锂硫电池最新ACS Energy Letters！

第一作者：Dawei Yang

通讯作者：徐明，周光敏，David Mitlin，Andreu Cabot

通讯单位：北京化工大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、清华大学深圳国际研究生院等

论文速览：

锂硫电池（LSB）是下一代能源存储系统的可行选择。然而，锂多硫化物（LiPS）的穿梭效应和硫及锂硫化物的电导率差限制了其应用。

本研究报道了一种基于C₂N 2D-有机框架的高负载低配位钴单原子（Co-SAs/C₂N）作为LSB正极的有效硫宿主。

实验和计算结果揭示了不饱和Co−N₂活性位点通过形成强S_x²⁻−Co−N键有效地捕获多硫化物离子的电子。此外，LiPS与不饱和Co−N₂活性位点之间的电荷转移赋予了固定LiPS低自由能和低电化学分解能垒，从而加速了LiPS的动力学转化。

因此，S@Co-SAs/C₂N基正极表现出优异的倍率性能、令人印象深刻的循环稳定性和高面积容量，是商业锂离子电池的两倍。

图文导读：

图1. 展示了C₂N支撑的Co单原子合成示意图，以及不同放大倍数下的HAADF-STEM图像，红色圆圈显示了作为亮点的单个Co原子。EDX元素映射图显示了Co-SAs/C₂N中C、N和Co的均匀分布。

图2. 展示了Co-SAs/C₂N的XANES光谱和Co K-edge FT-EXAFS光谱，以及EXAFS拟合曲线和参考样品的EXAFS振荡图。这些分析结果表明Co原子以Co−N₂配位结构均匀分散在C₂N基质中。

图3. 展示了Li₂S₄溶液和不同材料吸附后的UV-Vis光谱和光学照片，以及Co-SAs/C₂N在Li₂S₄吸附前后的N 1s和Co 2p XPS光谱。这些结果证实了Co-SAs/C₂N对LiPS具有强吸附能力。

图4. 展示了对称电池的CV曲线，Li-S纽扣电池的CV曲线，不同电极的充放电曲线，以及Li₂S在C₂N和Co-SAs/C₂N上的分解能垒和LiPS物种的吉布斯自由能变化曲线。这些结果表明Co-SAs/C₂N作为催化剂促进了多硫化物的反应动力学。

图5. 展示了S@Co-SAs/C₂N电极在不同倍率下的充放电曲线，电极的倍率性能和容量保持情况，以及高硫负载下S@Co-SAs/C₂N电极的循环性能。这些结果证明了S@Co-SAs/C₂N电极在高硫负载和低电解液条件下的优异性能。

总结展望：

本研究通过精确设计Co−N₂配位结构的Co-SAs/C₂N，探索了Co−N₂位点在LiPS转化过程中的吸附和催化性质。Co-SAs/C₂N展现出对多硫化物的锂亲/硫亲性结合，有效防止了LiPS在电解液中的溶解。

此外，不饱和Co−N₂中心作为多功能位点，加速了LiPS的转化，并降低了放电/充电过程中Li₂S沉积和分解的反应能垒。S@Co-SAs/C₂N电极因此展现出卓越的倍率性能和超长期循环稳定性。

即使在高硫负载和低电解液条件下，S@Co-SAs/C₂N电极也显示出显著的面积容量，满足了商业LIBs的需求。本工作为设计SAC基宿主以提高LSB性能提供了新的见解。

文献信息：

标题：Single-Atom Catalysts with Unsaturated Co−N2 Active Sites Based on a C₂N 2D-Organic Framework for Efficient Sulfur Redox Reaction

期刊：ACS Energy Letters

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