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2022年6月17日
Nature Catalysis
在线发表了中国科学院过程工程研究所
张会刚
团队在用于锂硫电池多硫化物转化的阳离子掺杂ZnS催化剂设计领域的最新成果“
Cation-doped ZnS catalysts for polysulfide conversion in lithium-sulfur batteries
”。其中，美国阿贡国家实验室陆俊研究员为共同通讯作者，中国科学院过程工程研究所为第一通讯单位。
锂硫（Li-S）电池体系因其高比能量（2600 W h kg
-1
）、丰富的硫资源、低成本和环境兼容性，而被认为是最有前途的下一代可充电电池之一。然而，硫正极的实际应用
受到动力学
迟缓
、锂金属
负极
的低可逆性和多硫化物穿梭效应的制约。在这些缺点中，多硫化物转化的缓慢动力学在确定Li-S电池的电化学性能方面发挥着关键作用，它们
与
其他问题密切相关，尤其是加剧了多硫化物穿梭并降低电池的可循环性。
多硫化物的催化转化不仅增强了锂硫电池的动力学，而且抑制了穿梭效应。以前的研究添加了金属氧化物, 硫化物 , 磷化物和氮化物到硫正极，以吸附多硫化物。高催化活性通常与多硫化物在催化剂上的强吸附有关，虽然吸附和催化活性之间的内在联系在理论上没有得到很好的解决，但这些开创性的研究表明在硫正极中使用催化剂已经能够适中或明显改善锂硫电池的电化学性能。
为了进一步改进或开发新的催化剂，最近提出了一些机理方法。Duan及其同事制备了N和S掺杂的石墨烯催化剂，以降低活化能，从而改善多硫化物转化的动力学。Li和同事报道了一种插层转换复合正极，用于固定多硫化物并释放其高重量容量。改变催化剂的能带结构可以增加多硫化物的结合能，并加速表面电子交换以实现快速氧化还原
反应
。
据报道，有多种材料可以成功地催化多硫化物的转化。然而，当前催化剂开发方法或多或少依赖于反复试验。如何设计超越简单二元化合物的更好催化剂，需要深入了解实验证明的催化活性和理论计算的多硫化物结合能之间的内在联系。然而，缺乏对催化剂的这种机理研究，尤其是在原子和分子水平上，这限制了锂硫电池催化剂的合理设计和活性调整。
在此，
中国科学院过程工程研究所张会刚
和美国阿贡国家实验室陆俊研究员等人
报告了
一项关于多硫化物吸附如何决定催化活性的基础研究
。通过检查一系列过渡金属掺杂剂（Mn
2+
、Fe
2+
、Co
2+
、Ni
2+
或 Cu
2+
）在ZnS晶格中的活性，
发现加强吸附并不一定会导致催化活性的提高
，特别是当溶出的多硫化物（Li
2
S
2
/Li
2
S）的解吸具有速率限制时，对Li
2
S
2
/Li
2
S的强吸附可能导致催化剂的钝化。
只有对多硫化物进行中等吸附才能提高Li
2
S
4
的转化率，同时促进Li
2
S
2
/Li
2
S的解吸，从而显示出最高的催化活性，活性与吸附强度之间呈火山形变化趋势
。
利用这种相关性，本文开发出一种高效的Co
0.125
Zn
0.875
S催化剂，由此制备的Li-S电池在2C的条件下循环1500次，其显示出每次循环0.033%的超低容量衰减率。在高硫载量（7 mg cm
-2
）下，使用Co
0.125
Zn
0.875
S的Li-S电池可以在1C下保持513.2 mAh g
-1
的高容量超过200次。如此高的活性并不是由简单的二元化合物来实现的，吸附和催化之间的活性调节策略为分析多硫化物转化和设计高效催化剂提供了一个合理的观点。同时，考虑到钴资源相对较高的成本和有限的可用性，这些设计原则可以在未来进一步应用于开发无钴催化剂。
图5. 使用M
0.125
Zn
0.875
S催化剂的Li-S电池的电化学性能
Shen, Z., Jin, X., Tian, J. et al. Cation-doped ZnS catalysts for polysulfide conversion in lithium-sulfur batteries. Nat Catal (2022). https://doi.org/10.1038/s41929-022-00804-4
