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余彥/劉軍AM綜述: 高能量密度鋰硫電池單原子催化劑的開(kāi)發(fā)進(jìn)展

盡管鋰硫電池是有前途的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)，但其實(shí)際應(yīng)用受到鋰枝晶生長(zhǎng)和多硫化鋰穿梭的限制，這些問(wèn)題可通過(guò)使用單原子催化劑（SACs）來(lái)緩解。SACs具有最大的原子利用效率（~100%）和獨(dú)特的催化性能，從而有效地提高了電極材料在儲(chǔ)能裝置中的性能。

在此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授、華南理工大學(xué)劉軍教授等人研究了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，包括對(duì)該機(jī)制的分析和討論到影響SACs活性的因素和制備策略等。SACs可以極大地加速緩慢的相轉(zhuǎn)移反應(yīng)并阻礙可溶性LiPS的穿梭及鋰枝晶的形成，以實(shí)現(xiàn)高CE和長(zhǎng)期可循環(huán)性。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)用作鋰金屬負(fù)極的主體材料時(shí)，具有許多孤立親鋰位點(diǎn)的SAC會(huì)降低成核過(guò)電位。

此外，SACs的內(nèi)在活性不僅促進(jìn)了Li⁺擴(kuò)散，還有助于S物種的轉(zhuǎn)化。SACs的柔性基底可以緩解Li負(fù)極和S正極在重復(fù)充放電過(guò)程中的體積變化，而SACs對(duì)LiPSs的優(yōu)異吸附能力有助于減少活性S材料的損失，提高S的利用率。此外，輕質(zhì)SAC在用作隔膜和夾層組件時(shí)還可以降低電池的整體質(zhì)量從而提高能量密度，SACs在其他金屬-S電池中的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)也得到了擴(kuò)展。

圖1. SACs在鋰硫電池中的功能作用及最新進(jìn)展

最后，作者強(qiáng)調(diào)了SAC在鋰硫電池中使用的挑戰(zhàn)和未來(lái)的研究方向：

（1）由于其高表面能，穩(wěn)定和高負(fù)載的SAC仍然難以制備。因此，有必要建立通用、低成本的合成工藝以實(shí)現(xiàn)高負(fù)載量SACs并促進(jìn)其商業(yè)化。

（2）需要開(kāi)發(fā)新的輔助材料，各種雜原子的開(kāi)發(fā)和配位結(jié)構(gòu)的富集可用于構(gòu)建高活性的SACs。

（3）開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的原位表征方法和深入了解催化機(jī)制，將為制定有效的SAC優(yōu)化指南和Li-S電池的商業(yè)化鋪平道路。

（4）鋰硫電池未來(lái)的商業(yè)化應(yīng)考慮活性材料質(zhì)量和電解液/S比等關(guān)鍵因素。

圖2. SAC在鋰硫電池中的應(yīng)用目標(biāo)和挑戰(zhàn)

Advances in the Development of Single-Atom Catalysts for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202200102

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