高性能鋰硫電池用鈷碳復合材料硫宿主

導語本文總結(jié)了鈷/碳復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展。全文速覽本文總結(jié)了鈷/碳復合材料（包括鈷納米顆粒和鈷單原子）作為硫宿主的研究進展?？偟膩碚f，鈷扮演著電催化劑的角色，能夠抑制多硫化鋰的穿梭效應、加快電化學反應動力學、促進離子/電子轉(zhuǎn)移、緩解體積膨脹。同時，我們展望了鈷/碳復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，鋰離子電池在電動汽車領域得到了廣泛應用，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為是極具發(fā)展前景的儲能設備，其應用于電動汽車展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，鋰硫電池在實際應用方面仍面臨許多難題，包括反應動力學緩慢、體積膨脹大、穿梭效應嚴重等。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合作為硫宿主能有效地抑制多硫化鋰的穿梭效應、加快電化學反應動力學、促進離子/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道的鈷/碳復合材料硫宿主分為兩類進行討論，分別是鈷納米顆粒/碳復合材料和鈷單原子/碳復合材料。1、鈷納米顆粒/碳復合材料時至今日，多種鈷納米顆粒/碳復合材料被用于鋰硫電池，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。鈷納米顆粒可催化硫的氧化還原反應，促進多硫化物的可逆轉(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。同時鈷催化劑的加入能夠降低Li+擴散能壘、提高多硫化物結(jié)合能，促進Li+擴散和吸附多硫化物，從而抑制多硫化物的穿梭效應，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合可在實現(xiàn)高載硫量的同時促使電子快速傳輸、減緩體積變化，從而有效提升電化學性能。多種碳材料復合可以有效的結(jié)合他們各自的優(yōu)點，從而提升電化學性能。例如，將超細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。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，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活性位點有效地固定了多硫化物并催化其轉(zhuǎn)化，抑制了穿梭效應，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制備出嵌有鈷單原子的空心碳球，獨特的球形結(jié)構(gòu)提供了豐富的催化位點，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，鈷單原子對多硫化物超強的吸附作用有效地抑制了穿梭效應，加快了電化學反應動力學。將鈷單原子和ZnS納米顆粒嵌入高度有序的大孔導電框架，鈷和ZnS組成獨特的雙催化位點，不僅促進了多硫化物轉(zhuǎn)化、抑制穿梭效應，而且提高了電化學反應動力學。同時高度有序的大孔導電框架實現(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展。在此基礎上，作者從以下幾個方面對后續(xù)的研究方向進行了展望：（1）盡管各種表征技術(shù)已用于揭示鈷/碳復合材料在鋰硫電池中的作用機制，但在原子尺度上的作用機制仍缺乏深入的研究。因此，發(fā)展先進的原位表征技術(shù)和DFT計算具有十分重要的意義。（2）雖然鈷/碳復合材料作為鋰硫電池的硫宿主具有良好的電化學性能，但鈷/碳復合材料的制備過程仍有一定的復雜性。因此，迫切需要開發(fā)簡單、低成本、可擴展的策略，實現(xiàn)大規(guī)模制備高性能鈷/碳復合材料硫宿主。（3）到目前為止，鈷/碳復合材料