高性能鋰硫電池用鈷碳復(fù)合材料硫宿主

導(dǎo)語本文總結(jié)了鈷/碳復(fù)合材料硫宿主通過催化Li2Sn分解、緩解體積膨脹、抑制多硫化物溶解等提升鋰硫電池性能的最新進(jìn)展。全文速覽本文總結(jié)了鈷/碳復(fù)合材料（包括鈷納米顆粒和鈷單原子）作為硫宿主的研究進(jìn)展。總的來說，鈷扮演著電催化劑的角色，能夠抑制多硫化鋰的穿梭效應(yīng)、加快電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、促進(jìn)離子/電子轉(zhuǎn)移、緩解體積膨脹。同時(shí)，我們展望了鈷/碳復(fù)合材料作為鋰硫電池硫宿主的發(fā)展前景。背景介紹近年來，鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但其有限的能量密度已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的里程需求。因此亟需開發(fā)高能量密度電池體系了來消除使用者的里程焦慮。在眾多電池體系中，鋰硫電池具有較高的能量密度和潛在的低制備成本而被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的儲(chǔ)能設(shè)備，其應(yīng)用于電動(dòng)汽車展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用方面仍面臨許多難題，包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、體積膨脹大、穿梭效應(yīng)嚴(yán)重等。為解決這些問題，研究者提出了各種各樣的策略優(yōu)化硫正極。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)將鈷催化劑與碳材料復(fù)合作為硫宿主能有效地抑制多硫化鋰的穿梭效應(yīng)、加快電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、促進(jìn)離子/電子轉(zhuǎn)移、緩解體積膨脹，從而提升鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。圖文解析本文將最近報(bào)道的鈷/碳復(fù)合材料硫宿主分為兩類進(jìn)行討論，分別是鈷納米顆粒/碳復(fù)合材料和鈷單原子/碳復(fù)合材料。1、鈷納米顆粒/碳復(fù)合材料時(shí)至今日，多種鈷納米顆粒/碳復(fù)合材料被用于鋰硫電池，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。鈷納米顆?？纱呋虻难趸€原反應(yīng)，促進(jìn)多硫化物的可逆轉(zhuǎn)化，提高硫的利用率，從而使硫正極發(fā)揮更高的容量和更好的倍率性能。同時(shí)鈷催化劑的加入能夠降低Li+擴(kuò)散能壘、提高多硫化物結(jié)合能，促進(jìn)Li+擴(kuò)散和吸附多硫化物，從而抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)，使電池具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。碳基底的選擇起著至關(guān)重要的作用，中空碳材料具有足夠的空間可用來存儲(chǔ)單質(zhì)硫，并且可以有效抑制多硫化物穿梭，引起了研究者的廣泛關(guān)注。將鈷納米顆粒與中空碳納米管或者中空碳球復(fù)合可在實(shí)現(xiàn)高載硫量的同時(shí)促使電子快速傳輸、減緩體積變化，從而有效提升電化學(xué)性能。多種碳材料復(fù)合可以有效的結(jié)合他們各自的優(yōu)點(diǎn)，從而提升電化學(xué)性能。例如，將超細(xì)的鈷納米顆粒均勻分散在多孔碳納米籠及三維石墨烯框架上，可以構(gòu)建無粘結(jié)劑的自支撐硫正極，不僅可以加快電子傳輸，也可以減少電池結(jié)構(gòu)里面的非活性物質(zhì)占比，從而有效提升鋰硫電池的能量密度。2、鈷單原子/碳復(fù)合材料催化劑的選擇性和催化活性與物質(zhì)表面活性位點(diǎn)的數(shù)量密切相關(guān)，而減少催化劑的尺寸可有效增加活性位點(diǎn)。單原子催化劑擁有最小的尺寸，不僅能最大限度地利用活性位點(diǎn)，而且具有超高的催化活性和選擇性。季恒星教授課題組發(fā)現(xiàn)將鈷單原子嵌入氮摻雜石墨烯，形成Co-N-C配位中心，可以有效的促進(jìn)Li2S的形成與分解，從而使硫正極展現(xiàn)出高的可逆容量、優(yōu)異的倍率性能和長的循環(huán)性能。以CoZn-BZIF為前驅(qū)體使鈷單原子均勻分散在氮摻雜多面體碳基底上，Co-N4活性位點(diǎn)有效地固定了多硫化物并催化其轉(zhuǎn)化，抑制了穿梭效應(yīng)，從而使其具有優(yōu)異的倍率及循環(huán)性能。空心碳球也被用作鈷單原子的載體，以SiO2納米片為硬模板，通過聚合和熱解反應(yīng)制備出嵌有鈷單原子的空心碳球，獨(dú)特的球形結(jié)構(gòu)提供了豐富的催化位點(diǎn)，極大地提高了載硫量。為了提高鈷的含量，研究人員以KCl為模板合成了具有超高鈷含量（15.3wt%）的氮摻雜碳納米片，鈷單原子對(duì)多硫化物超強(qiáng)的吸附作用有效地抑制了穿梭效應(yīng)，加快了電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。將鈷單原子和ZnS納米顆粒嵌入高度有序的大孔導(dǎo)電框架，鈷和ZnS組成獨(dú)特的雙催化位點(diǎn)，不僅促進(jìn)了多硫化物轉(zhuǎn)化、抑制穿梭效應(yīng)，而且提高了電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。同時(shí)高度有序的大孔導(dǎo)電框架實(shí)現(xiàn)了高載硫量、加快了電子傳輸?？偨Y(jié)展望在本綜述中，作者全面綜述了鈷/碳復(fù)合材料（包括鈷納米粒子和鈷單原子）作為鋰硫電池硫宿主的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，作者從以下幾個(gè)方面對(duì)后續(xù)的研究方向進(jìn)行了展望：（1）盡管各種表征技術(shù)已用于揭示鈷/碳復(fù)合材料在鋰硫電池中的作用機(jī)制，但在原子尺度上的作用機(jī)制仍缺乏深入的研究。因此，發(fā)展先進(jìn)的原位表征技術(shù)和DFT計(jì)算具有十分重要的意義。（2）雖然鈷/碳復(fù)合材料作為鋰硫電池的硫宿主具有良好的電化學(xué)性能，但鈷/碳復(fù)合材料的制備過程仍有一定的復(fù)雜性。因此，迫切需要開發(fā)簡單、低成本、可擴(kuò)展的策略，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備高性能鈷/碳復(fù)合材料硫宿主。（3）到目前為止，鈷/碳復(fù)合材料