​乔世璋Nat. Nanotech.：过渡金属/碳纳米复合电催化剂实现高功率锂||硫电池

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​乔世璋Nat. Nanotech.：过渡金属/碳纳米复合电催化剂实现高功率锂||硫电池
Li||S电池具有高的能量密度，但其功率密度较低，限制了其在快充场景中的应用。在Li||S电池的硫还原反应（SRR）中，电催化剂的活性通常用火山图表示用以描述特定的热力学趋势。但是，目前缺乏大电流密度下SRR动力学趋势的描述方法，从而限制了开发高功率Li||S电池的可能性。
​乔世璋Nat. Nanotech.：过渡金属/碳纳米复合电催化剂实现高功率锂||硫电池
在此，阿德莱德大学乔世璋团队以一系列石墨烯基过渡金属催化剂为例（Fe、Co、Ni、Cu、Zn），依据勒夏特列原理首次提出了SRR反应的动力学趋势。研究发现：SRR的动力学随着催化剂表面多硫化锂浓度的增加而提升，动力学电流（J）和多硫化锂浓度（C）之间对数比值的一阶导数（dlogJ / dlogC）与充放电速率（V）呈现线性关系。通过同步辐射X射线吸收光谱测量和分子轨道理论计算，研究证明了催化剂的反键轨道占据率决定了多硫化物的浓度。
因此，可以通过调节轨道占据来改善各种金属催化剂的SRR反应动力学。同时，利用所建立的动力学趋势，该工作设计了一种纳米复合CoZn/碳催化剂，并将其用于Li||S电池的正极中。相应的Li||S电池在高硫面载（5 mg cm-2）、贫电解液（E/S = 4.8）、高电流密度（8.0 C）的条件下实现稳定循环，体现出超高的功率密度26120 W kgS-1，可以使得锂-硫电池在5分钟之内完成充放电。
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图1. SRR动力学趋势的构建
总之，该工作研究了Li||S电池的SRR动力学趋势，并考虑了勒夏特列原理。作者表明，增加多硫化物浓度有助于更快的SRR动力学，在此过程中，J和C之间的对数比的一阶导数随V单调增加。因此，可以通过使用催化剂和增加多硫化物浓度来提高SRR动力学。此外，作者通过原位光谱、基于同步辐射的分析、理论计算和电化学测量对此进行了验证。作者证明了多硫化物浓度由催化剂的反键轨道占据确定，通过调节催化剂的轨道占据可以改善SRR动力学。
基于SRR动力学趋势，作者设计了一个由碳材料和CoZn二元团簇组成的纳米复合电催化剂。该催化剂在高硫负载和低电解质条件下，使Li||S扣式电池在8C（即13.4A/gS）的条件下循环1,000次具有高容量保持率和良好的循环稳定性。因此，该工作表明，SRR动力学的基础研究对设计各种纳米复合催化剂以实现Li||S电池系统的高功率性能至关重要。
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图2. 高功率密度锂-硫电池的性能
Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering, Nature Nanotechnology 2024 DOI: 10.1038/s41565-024-01614-4

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