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逯樂慧團隊AM：空間限制和雙金屬催化的協(xié)同策略提升鋰硫電池的硫轉化動力學

鋰硫電池具有高理論比容量 (1675 mAh/g)、豐富硫資源、環(huán)境友好、價格低廉等優(yōu)勢，是一種高性能的新型儲能電池。在放電過程中，硫鋰化會形成一系列長鏈多硫化物(S₈→Li₂S₈→Li₂S₆→Li₂S₄)，它們?nèi)菀兹芙庠诿鸦娊庖褐?，造成快速的容量衰減和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。這種現(xiàn)象被稱為“穿梭效應”，嚴重阻礙了鋰硫電池的商業(yè)應用。

在此，中科院長春應用化學研究所逯樂慧研究員團隊提出了一種核殼結構的Co/Ni雙金屬摻雜MOF/硫顆粒的策略來解決這一難題。

該策略巧妙地將硫顆粒封裝在CoNiMOF的網(wǎng)狀結構里，作者將其比喻為“魚在網(wǎng)中”，CoNiMOF作為“網(wǎng)”為硫顆粒（“魚”）提供了前所未有的空間限制和豐富的催化位點，且具有長期穩(wěn)定性、離子篩選、強的多硫化物吸附能力、良好的多步催化轉化效率。

多種物理化學和理論分析證明了空間限制和雙金屬催化的協(xié)同作用可以顯著提升界面電荷轉移動力學和硫轉化動力學，從而抑制穿梭效應。

圖1. 作用機制

總之，該工作采用核殼結構的Co/Ni雙金屬摻雜金屬有機框架(MOF)/硫納米粒子來解決鋰硫電池多硫化物溶解等問題；這種方法通過將硫封裝在有序結構中，提供了前所未有的空間限制和豐富的催化位點。這種保護層具有長期穩(wěn)定性、離子屏蔽、高鋰-多硫化物吸附能力和多步催化轉換能力。

此外，MOF 的局部電子賦予了正極卓越的電子/鋰離子轉移能力。通過多種物理化學和理論分析，證明了由此產(chǎn)生的協(xié)同作用可顯著促進界面電荷轉移動力學、促進硫轉化動力學并抑制穿梭。組裝后的Li-S 電池在0.2C下循環(huán)400次后，容量穩(wěn)定且高度可逆，衰減很?。看窝h(huán) 0.075%）；在高硫負荷下循環(huán)200次后，軟包電池的面積容量為3.8 mAh cm^-2；軟包電池的性能也得到了明顯改善。

圖2. 空間限制和雙金屬催化的協(xié)同作用

Synergizing Spatial Confinement and Dual-Metal Catalysis to Boost Sulfur Kinetics in Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202304120

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