【论文链接】

https://doi.org/10.1002/adma.202522483

【作者单位】

浙江大学

【论文摘要】

硫反应动力学迟缓是硫化物电解质（SE）基全固态锂硫电池（ASSLSBs）实际应用的关键障碍。实现高性能既需要降低硫转化的本征能垒，也需要构建高效的传输路径。研究通过在碳纳米管上设计原子分散的钴位点，在三相界面处定向催化硫转化，从而解决上述挑战。钴 3d 轨道与硫 3p 轨道之间的强轨道杂化增强了化学键合，有效加速了硫还原反应和硫化锂氧化反应。经定向催化优化的界面最大化了高度有序的碳 / 硫 / 硫化物电解质（C/S/SE）三相界面，最小化了硫化物电解质 / 碳（SE/C）界面，在建立分级离子 / 电子传输网络的同时，抑制了副反应。因此，该改性正极在 0.5 C 倍率下展现出 1108 mAh·g⁻¹ 的高可逆容量，500 次循环后容量保持率达 97%。所制备的电池在严苛条件下也表现出优异的稳定性。研究为高性能全固态锂硫电池提供了一种强有力的催化驱动策略。

【实验方法】

CNT@Co 样品的合成

乙酰丙酮钴（II）（纯度 98 wt.%，Co (acac)₂）购自阿拉丁；氮掺杂多壁碳纳米管（N-MWCNTs，简称 CNT，纯度 95 wt.%，内径 5-10 nm，外径 10-20 nm，长度 10-30 μm）购自百灵威化学；浓盐酸（36%~38 wt.%）购自国药集团化学试剂有限公司。

CNT@Co 样品通过气相沉积法制备：首先将 150 mg 乙酰丙酮钴和 100 mg 碳纳米管粉末分别放入小型石英管中，再将其插入炉体的大型石英管内，乙酰丙酮钴粉末置于上游，碳纳米管粉末置于下游；整个系统先在 100℃下预退火 2 小时以去除水分，随后以 5℃·min⁻¹ 的升温速率加热至 300℃，并在此温度下保温 6 小时，全程在惰性氩气氛围中进行；自然冷却至室温后，取出所得黑色样品，浸入 1 mol/L 盐酸中 1 小时以去除低核簇，随后用乙醇洗涤并离心三次；干燥后，该样品用作具有丰富催化位点的硫载体。

CNT@Co/S 样品的合成

CNT@Co/S 样品通过熔融扩散法合成：首先将制备的 CNT@Co 样品与硫粉按质量比 2:3 混合，球磨 2 小时以实现均匀分散；随后将混合物放入水热釜中，155℃热处理 10 小时；所得黑色产物即为 CNT@Co/S 复合材料，用作活性材料。

LPSC 电解质的合成

Li₅.₅PS₄.₅Cl₁.₅（LPSC）硫化物固态电解质通过传统固相反应合成：具体而言，将硫化锂（纯度 99.9 wt.%，Sigma）、五硫化二磷（纯度 99 wt.%，麦克林）和氯化锂（纯度 99.99 wt.%，阿拉丁）粉末按 4.5:1:3 的比例混合，加入氧化锆球（直径 10 mm）后放入氧化锆罐中；随后以 550 转 / 分钟的转速球磨 12 小时进行机械化学合成；将所得复合材料压制成片，以 10℃·min⁻¹ 的升温速率加热至 500℃，煅烧 2 小时；最后将产物研磨，得到 LPSC 粉末，全程在氩气氛围中进行。

CNT-S-LPSC 与 CNT@Co/S-LPSC 正极的合成

CNT-S-LPSC 复合材料的合成：将碳纳米管材料、硫粉和 LPSC 粉末按质量比 2:3:4 混合，以 500 转 / 分钟的转速球磨 4 小时；CNT@Co/S-LPSC 复合材料由 CNT@Co/S 与 LPSC 按质量比 5:4 组成，合成方法与 CNT-S-LPSC 复合材料一致；整个混合过程在氩气氛围中进行。

【图文摘取】

【主要结论】

研究通过引入原子级钴催化位点和设计分级离子 / 电子网络，提出了一种硫定向催化策略。在原子尺度上，X 射线光电子能谱（XPS）和 X 射线吸收光谱（XAS）分析阐明了钴的配位结构，密度泛函理论（DFT）计算揭示了 CNT@Co 对高效 S₈还原和 Li₂S 氧化的优异电催化性能。在颗粒尺度上，CNT@Co 的多孔框架实现了硫的纳米级分散，缩短了长距离电子传输路径，确保了钴催化位点与硫分子的有效结合。在电极尺度上，随后与 LPSC 的整合构建了丰富的功能性三相界面和分级电荷传输路径，从而获得了优异的电子 / 离子导电性和增强的锂离子扩散系数。因此，CNT@Co/S-LPSC 复合正极在高电流密度、高硫载量和宽温度条件下均表现出卓越的电化学性能。这种微观结构设计实现了高效的电荷传输和加速的硫转化，为全固态锂硫电池的商业化提供了可行路径。

文章来源：电池未来

特别声明：本站所载图文内容均来源互联网，微信公众号等公开渠道，我们对文中观点保持中立，出于更直观传递信息之目的转载稿件，仅供参考。版权归原作者和机构所有，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如有侵权，或涉及任何第三方合法权利，请及时联系我们删除（微信：CintaZz7），我们会及时反馈并处理完毕。