一种高功率锂硫电池的设计方法

锂硫 (Li–S) 电池是最常见的可充电电池技术锂离子电池 (LiB) 的一种有前景的替代品。由于地球上硫含量丰富，这些电池可能比锂电池更便宜、更环保，同时还可能表现出更高的能量密度。

尽管具有这些优点，但锂硫电池的部署迄今为止仍受到限制，因为许多此类电池的循环寿命较低且自放电率较高。此外，在实际应用中，由于锂硫电池的充电和放电速率很高，预计的高能量密度通常会变得低得多。

在确保锂硫电池高容量方面发挥核心作用的化学反应是所谓的硫还原反应(SRR)。该反应已被广泛研究，但其在高电流速率下的动力学趋势仍知之甚少。

阿德莱德大学、天津大学和澳大利亚同步加速器的研究人员最近开展了一项研究，旨在描绘SRR的动力学趋势，为高功率锂硫电池的未来发展提供信息。他们发表在《自然纳米技术》上的论文还介绍了一种纳米复合碳电催化剂，该催化剂被发现可以提高锂硫电池的性能，实现约 75% 的放电容量保持率。

“硫还原反应(SRR)电催化剂的活性可以用火山图来表示，火山图描述了特定的热力学趋势，”李焕、孟荣伟和他们的同事在论文中写道。“然而，描述高电流速率下 SRR 的动力学趋势尚不可用，这限制了我们对动力学变化的理解，并阻碍了高功率锂||硫电池的发展。以 Le Chatelier 原理为指导，我们建立了一个将多硫化物浓度与动态电流关联起来的 SRR 动力学趋势。”

为了进一步研究高电流下SRR的动力学趋势，研究人员还收集了同步加速器X射线吸收光谱测量结果并进行了各种分子轨道计算。总体而言，他们的结果表明，基于过渡金属的催化剂中的轨道占用与电池中多硫化物的浓度有关，因此也与 SRR 动力学预测有关。

根据他们描绘的动力学趋势，李、孟及其合作者设计了一种由碳基材料和 CoZn 簇组成的新型纳米复合电催化剂。然后，他们将该催化剂集成到锂硫电池中并测试其性能，重点关注其充放电速率。

“当该电催化剂用于硫基正极(S负载量为5 mg cm -2)时，相应的Li||S纽扣电池(电解液：S质量比为4.8)可以在1000次循环条件下循环1000次。 8°C(即13.4 A g S -1，基于硫的质量)和25°C，”研究人员写道。

“该电池表现出约 75% 的放电容量保留率(最终放电容量为 500 mAh g S -1)，对应于 26,120 W kg S -1的初始比功率和 1,306 Wh kg S -1的比能量。”

总体而言，Li、Meng 及其同事最近的研究表明，增加多硫化物浓度可促进更快的 SRR 动力学;因此，提高多硫化物浓度的催化剂可以加速这一反应。这一结果通过理论计算和实验测量得到了验证。

根据他们的观察，研究人员已经推出了一种电催化剂，被发现可以提高锂硫电池的容量保持率和循环稳定性。未来，他们的工作可能会激发其他有前景的催化剂的设计，从而有可能促进新型高功率锂硫电池技术的开发。