【儀表網 研發快訊】近日，大連化學物理研究所先進二次電池研究組(DNL0306組)陳劍研究員團隊和能源與環境小分子催化研究中心(509組群)鄧德會研究員團隊合作，在鋰硫電池硫正極單原子催化劑研究方面取得新進展，合成了一種新型P配位單原子Fe催化劑，提升了鋰硫電池性能。
鋰硫電池因其高能量密度(2550 Wh kg-1)優勢，被視為最具應用前景的下一代二次電池之一。然而，硫正極在“固-液-固”轉換反應過程中產生的多硫化鋰中間體易溶解積聚，導致穿梭效應，降低鋰硫電池循環壽命。在硫正極側引入加快多硫化鋰反應動力學的催化劑，是抑制上述穿梭效應的有效策略。
單原子催化劑(SACs)具有原子利用率高、催化活性強、活性中心明確等優勢，是研究硫正極催化轉換反應的理想體系。本工作中，團隊在前期硫正極金屬化合物催化劑(J. Alloy. Compd.，2020；J. Energy Chem.，2020；J. Energy Chem.，2021)和單原子催化劑(J. Mater. Chem. A，2020；J. Alloy. Compd.，2022)研究基礎上，基于配位環境調控策略，研制了N配位(Fe-N4-C)和P配位的單原子Fe催化劑(Fe-P4-C)。研究發現，Fe-P4-C中Fe的價態更高，與中間產物多硫化鋰中的S形成更強的“Fe-S”相互作用。理論計算結果表明，相比于Fe-N4-C，Fe-P4-C活性中心顯著降低了硫還原反應速控步和硫化鋰氧化反應的能壘。電化學測試結果表明，Fe-P4-C活性中心對硫正極的氧化還原反應表現出更高的反應電子數和催化活性。基于Fe-P4-C正極制備的鋰硫電池在高硫載量(單面5.7 mg/cm2)、低電液比(6.2 μL/mg(S))條件下，實現了6.0 mAh/cm2的面容量，0.1C循環100圈后的容量保持率為80.3%。
相關工作以“Modulating the Coordination Environment of Single Fe Atoms with Enhanced Electrocatalytic Performance for Advanced Li-S Batteries”為題，發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。該工作的第一作者是我所DNL0306副研究員邵欽君。以上工作得到國家自然科學基金、遼寧省自然科學基金、中國科學院A類先導專項“高能量密度鋰硫儲能系統”、我所創新基金等項目的資助。(文/圖 邵欽君)
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