高理论能量密度的锂硫电池(2600 Wh/kg)被认为是下一代非常有前景的二次电池。然而，高的电化学转换反应及离子扩散能垒，降低了锂硫电池的利用率，使得容量衰减迅速，阻碍了其实际商业化。此外，与硫正极匹配使用的锂金属负极易于产生枝晶或粉化， 造成安全事故。近年来，硫化锂(Li2S)作为一种全锂化的硫正极，具有1166 mAh/g的容量，且能够与硅、石墨、锡等无锂负极相匹配，引起极大的关注。Li2S电极还可以避免体积膨胀使得复合结构更加稳定。但是，无论Li2S来自何处，其在本质上都是绝缘的，因此在电池反应中，硫化锂得活化必须克服较高的分解势垒和界面扩散能垒，多硫化物之间得转化反应速率也极大地受到锂离子扩散速率的影响。因此，为了实现高面积载量锂硫电池的商业化，必须要能实现快速的离子传输动力学来加快电化学反应。
近日，清华大学和中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张跃钢教授与蔺洪振研究员课题组在纳米碳基底上成功制备出均匀负载分布单原子钴(SACo)催化剂复合材料，并证明了单原子催化剂可以加快锂离子Li2S电极反应中的扩散速率。在实验中采用聚合物(PAN)将均匀分散的Li2SO4与氮掺杂石墨烯(NG)纳米片紧密地粘结，在NH3/Ar气氛高温下，Li2SO4和Co(Ac)2前驱体分别化学转化为Li2S和SACo。X射线光谱和电子显微镜证实了SACo的存在和均匀分散性，电化学测试表明纳米碳网络中的SACo能够提高超高倍率Li2S电池的转化率。密度泛函理论模拟表明，锂离子扩散能垒对受到纳米碳表面的掺杂元素影响，并发现引入SACo催化剂位点，可显著降低锂离子在碳材料表面的扩散势垒。因此，所制备出的电极具有优异的倍率性能(在10 C下容量为441 mAh/g，以下容量均基于Li2S的质量计算)和超长的循环寿命(2 C下可稳定运行1500圈)。同时，高负载电极在5 C (23.4 mA /cm2)下正极容量可高达340 mAh/g，且在1 C下具有优异的循环性能。该文章发表在国际学术期刊Energy Storage Materials上。王健博士为本文第一作者。
三、核心内容表述部分
在本文中，我们选用价格低廉的硫酸锂与醋酸钴作为前驱体，在适当的温度处理过程中，成功制备出在纳米碳基底上均匀分布的单原子钴(SACo)催化剂复合材料(称为Li2S@C:SACo)。利用单原子钴催化剂的高效催化活性，极大地提高了大面积硫化锂载量中锂离子的传输速率，加快了多硫化锂之间的反应动力学，而且还显著地降低了硫化锂活化的能垒并提高了电池的活化倍率，这为实现价格低廉的快速充放电的高面积载量的锂硫电池提供了可能。
1.实验与理论计算都证实了单原子催化剂能够显著地降低转换反应的脱锂与扩散能垒，加速锂离子在Li2S电极中传输动力学行为。
2.制备的含有催化剂的硫化锂正极电池在10 C的倍率下电池的放电比容量为441 mAh/g；在2 C的高倍率下能够实现1500次循环寿命，平均容量衰减率仅为0.04%。
3.在高质量负载（4-6 mg/cm2）下，同样可实现Li2S电极的高倍率（5 C）和优异的长循环性能，显示出巨大的实际商业化前景。
Fig.1. Li2S@C:SACo 纳米复合材料SACo催化剂的合成和表征。（A）Li2S@C:SACo纳米复合材料的合成示意图。（B）Li2S@C:SACo材料的SEM图像; （C，D）Li2S@C:SACo纳米复合材料的球差矫正电镜图。（E）Li2S@C:SACo的元素分布图。（F，G）Li2S@C:SACo中的Co元素K-edge XANES图及傅立叶变换图。
Fig.2. 单原子钴催化加快锂离子传导性能研究。（A）Li2S@C:SACo和Li2S@C对称电池的电化学阻抗谱图。（B）在扫速为0.5 mV s-1下的CV图。（C）锂离子扩散系数图。（D）CV对比图。（E）Tafel曲线图谱。（F）硫化锂正极在0.1 C时的首次活化电压曲线图。
Fig.3. SACo在Li/Li2S电池中的作用。（A）在1 C时的循环性能对比图。（B）Li2S@C:SACo正极不同倍率的电压图。（C）倍率循环性能对比图。（D）Li2S@C:SACo正极在不同扫描速率下的CV图。（E）峰值电流与扫速的平方根在第二还原峰处的线性关系。（F）峰值电流与扫速的平方根在第一还原峰处的线性关系。（G）Li2S@C:SACo正极在2 C下的长循环性能图。
Fig.4. SACo催化的高面积载量Li/Li2S电池的性能。（A）高面积载量的Li2S@C:SACo正极的不同倍率电压曲线图。（B）倍率循环性能图。（C）不同面积载量电池在0.5 C下的循环性能图。（D）电化学性能和文献的对比。（E）面积载量为5.8 mg cm-2的电池在1 C下的循环性能图。
Fig.5. 理论模拟计算。 （A-D）Li2S 在（A）原始 Li2S，（B） Li2S@C和（C） Li2S@C:SACo 中的模拟脱锂过程。（D） 是（C）的俯视图。（E）Li2S在不同碳基质上的模拟脱锂能垒的比较。（F，G）在没有或（G）用 SACo 的情况下模拟锂离子在氮掺杂碳（F）表面上的扩散。（H）在各种纳米碳表面上锂离子扩散能垒的比较。（I）模拟 Li2S4在负载SACo的氮掺杂的纳米碳上的吸附。（J）模拟 Li2S4在氮掺杂的纳米碳上的吸附。相应的吸附能量在侧视图中标出。棕色，黄色，绿色，蓝色和灰色球分别代表碳，硫，锂，钴和氮原子。
四、文献详情
Jian Wang, Lujie Jia, Shaorong Duan, Haitao Liu, Qingbo Xiao, Tie Li, Haiyan Fan, Kun Feng, Jin Yang, Qi Wang, Meinan Liu, Jun Zhong, Wenhui Duan, Hongzhen Lin, Yuegang Zhang. Single atomic cobalt catalyst significantly accelerates lithium ion diffusion in high mass loading Li2S cathode. Energy Storage Materials, 2020, DOI: 10.1016/j.ensm.2020.03.023.
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.03.023
近日，清华大学和中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张跃钢教授与蔺洪振研究员课题组在纳米碳基底上成功制备出均匀负载分布单原子钴(SACo)催化剂复合材料，并证明了单原子催化剂可以加快锂离子Li2S电极反应中的扩散速率。在实验中采用聚合物(PAN)将均匀分散的Li2SO4与氮掺杂石墨烯(NG)纳米片紧密地粘结，在NH3/Ar气氛高温下，Li2SO4和Co(Ac)2前驱体分别化学转化为Li2S和SACo。X射线光谱和电子显微镜证实了SACo的存在和均匀分散性，电化学测试表明纳米碳网络中的SACo能够提高超高倍率Li2S电池的转化率。密度泛函理论模拟表明，锂离子扩散能垒对受到纳米碳表面的掺杂元素影响，并发现引入SACo催化剂位点，可显著降低锂离子在碳材料表面的扩散势垒。因此，所制备出的电极具有优异的倍率性能(在10 C下容量为441 mAh/g，以下容量均基于Li2S的质量计算)和超长的循环寿命(2 C下可稳定运行1500圈)。同时，高负载电极在5 C (23.4 mA /cm2)下正极容量可高达340 mAh/g，且在1 C下具有优异的循环性能。该文章发表在国际学术期刊Energy Storage Materials上。王健博士为本文第一作者。
三、核心内容表述部分
在本文中，我们选用价格低廉的硫酸锂与醋酸钴作为前驱体，在适当的温度处理过程中，成功制备出在纳米碳基底上均匀分布的单原子钴(SACo)催化剂复合材料(称为Li2S@C:SACo)。利用单原子钴催化剂的高效催化活性，极大地提高了大面积硫化锂载量中锂离子的传输速率，加快了多硫化锂之间的反应动力学，而且还显著地降低了硫化锂活化的能垒并提高了电池的活化倍率，这为实现价格低廉的快速充放电的高面积载量的锂硫电池提供了可能。
1.实验与理论计算都证实了单原子催化剂能够显著地降低转换反应的脱锂与扩散能垒，加速锂离子在Li2S电极中传输动力学行为。
2.制备的含有催化剂的硫化锂正极电池在10 C的倍率下电池的放电比容量为441 mAh/g；在2 C的高倍率下能够实现1500次循环寿命，平均容量衰减率仅为0.04%。
3.在高质量负载（4-6 mg/cm2）下，同样可实现Li2S电极的高倍率（5 C）和优异的长循环性能，显示出巨大的实际商业化前景。
四、文献详情
Jian Wang, Lujie Jia, Shaorong Duan, Haitao Liu, Qingbo Xiao, Tie Li, Haiyan Fan, Kun Feng, Jin Yang, Qi Wang, Meinan Liu, Jun Zhong, Wenhui Duan, Hongzhen Lin, Yuegang Zhang. Single atomic cobalt catalyst significantly accelerates lithium ion diffusion in high mass loading Li2S cathode. Energy Storage Materials, 2020, DOI: 10.1016/j.ensm.2020.03.023.
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.03.023
