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由于較高的能量密度（2600 Wh·kg^-1）和理論比容量(1672 mAh·g^-1)，鋰硫電池被認(rèn)為是下一代先進(jìn)的儲能體系。然而，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鋰硫電池的電化學(xué)反應(yīng)過程不僅涉及了鋰離子的脫嵌，而且還具有多步復(fù)雜的物相演變過程。因此，鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用化進(jìn)程受到了諸多方面的挑戰(zhàn)，主要包括了多硫化鋰的穿梭效應(yīng)和緩慢的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程。這些挑戰(zhàn)造成活性材料硫的不可逆損失，硫的利用效率降低，電池的循環(huán)穩(wěn)定性下降。基于上述科學(xué)和應(yīng)用問題，有效抑制多硫化鋰穿梭，合理化鋰硫體系的電化學(xué)反應(yīng)過程對改善電池的容量和循環(huán)壽命具有重要的意義。

近日，蘇州大學(xué)孫靖宇教授和清華大學(xué)張強(qiáng)教授(共同通訊作者)團(tuán)隊(duì)總結(jié)了近期鋰硫化學(xué)中催化介質(zhì)材料的設(shè)計(jì)策略，旨在深入理解多硫化鋰的演變機(jī)理，指導(dǎo)合理的體系設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高能量長壽命的鋰硫電池。綜述對鋰硫化學(xué)中的電催化機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)討論，從“界面工程設(shè)計(jì)”、“活性材料引入”和“雙催化機(jī)制構(gòu)建”三個(gè)方面總結(jié)了近期催化材料的研究進(jìn)展，同時(shí)還對介質(zhì)材料的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。該綜述不僅加深了對多硫化鋰演變和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的深入理解，而且還為設(shè)計(jì)高活性的催化材料，實(shí)現(xiàn)多硫化鋰的有效管理，電化學(xué)反應(yīng)過程的合理化提供了進(jìn)一步的指導(dǎo)。相關(guān)綜述以“Rationalizing Electrocatalysis of Li–S Chemistry by Mediator Design: Progress and Prospects”為題發(fā)表在Adv. Energy Mater.上。論文的共同第一作者為宋英澤博士、蔡文龍博士和孔龍博士。

圖1. 鋰硫化學(xué)中多硫化鋰的演變機(jī)制

圖2. 模板法合成介質(zhì)材料并用于鋰硫體系性能擴(kuò)展

a) 以碳球?yàn)槟０搴铣啥嗫譜N并用于硫正極設(shè)計(jì)

b) 以硅藻土為模板合成多級孔道氮摻石墨烯并用于功能隔層設(shè)計(jì)

圖3. “Goldilocks”準(zhǔn)則用于描述過渡金屬氧化物與多硫化鋰的反應(yīng)機(jī)制

a) 適用于“Goldilocks”準(zhǔn)則的過渡金屬氧化物與多硫化鋰的作用機(jī)制；

b) 適用于“Goldilocks”準(zhǔn)則的VO₂對多硫化鋰的超快吸附行為。

圖4 Li₂S的成核機(jī)制

圖5 “VO₂-VN”界面對多硫化鋰的管理及電化學(xué)反應(yīng)的催化作用

圖6 “Graphene-V₂O₃”界面對多硫化鋰的管理及電化學(xué)反應(yīng)的催化作用

圖7 活性材料引入對多硫化鋰的管理及電化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控作用

a) 3D氮摻石墨烯/TiN對鋰硫體系電化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控作用

b)?MoN-VN對鋰硫體系電化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控作用

圖8 “雙催化”機(jī)制用于合理化鋰硫體系電化學(xué)反應(yīng)過程

a)?Co-N-GC對鋰硫化學(xué)的催化作用；

b)?HPTCF對鋰硫化學(xué)的催化作用；

c)?氧缺陷WO_3-x對鋰硫化學(xué)的催化作用；

d) Co-N/G對鋰硫化學(xué)的催化作用；

e)?Tandem-RM對鋰硫化學(xué)的催化作用。

圖9 高活性催化材料對鋰硫體系電化學(xué)反應(yīng)的作用機(jī)制

綜上所述，滯緩的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程限制了鋰硫電池的電化學(xué)性能發(fā)揮，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。在這方面，催化材料設(shè)計(jì)有利于合理化電化學(xué)反應(yīng)過程，提升電池的性能，是一種合理和有潛力的研究策略。然而，為了更好地應(yīng)對鋰硫體系的科學(xué)和應(yīng)用問題，更多有效的策略的提出和發(fā)展需要經(jīng)過長期的機(jī)理理解和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用探索。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201901075

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孫靖宇，2013年博士畢業(yè)于牛津大學(xué)，先后在北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心和劍橋大學(xué)“劍橋石墨烯中心”從事博士后研究。2017年3月，加入蘇州大學(xué)能源學(xué)院任特聘教授、博士生導(dǎo)師；同年入選國家四青人才。目前擔(dān)任“先進(jìn)碳材料與可穿戴能源”研究組課題組長，主要從事可穿戴能源材料及器件、納米碳材料及二維新材料的可控制備研究?，F(xiàn)為九三學(xué)社社員，《科學(xué)通報(bào)》編委。

張強(qiáng)，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，主要從事能源材料包括金屬鋰、鋰硫電池和電催化研究。曾獲得國家自然科學(xué)杰出青年基金、中組部萬人計(jì)劃拔尖人才、英國皇家學(xué)會Newton Advanced Fellowship、2017-2018科睿唯安高被引科學(xué)家?，F(xiàn)擔(dān)任國際期刊J. Energy Chem.副主編，Adv. Mater. Interfaces、Sci. China Mater.、Sci. China Chem.、Philos. Trans. A編委，Energy Storage Mater.、Adv. Funct. Mater.客座編輯。