澳大利亚昆士兰大学罗彬、王连洲团队综述 | 空心结构硫正极材料设计助力高性能锂硫电池研究
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自2020年1月起，MCF要求新投稿的文章在参考文献中加入每篇论文的标题。
因其具有较高的理论能量密度（2600 Wh/kg）以及价格低廉的硫正极，锂硫电池被认为是最有希望的新一代二次电池技术之一。然而，现阶段锂硫电池在商业化进程上仍面临诸多挑战，包括 （1）电极材料（硫和硫化锂）导电性较差，（2）可溶多聚硫中间产物导致的活性物质流失以及电化学循环容量损失，（3）硫锂化过程中的体积膨胀（80%）引起的电极结构坍塌，（4）缓慢的硫转化反应动力学，以及（5）锂枝晶生长和易燃有机电解液导致的安全隐患。硫宿主材料的设计被认为是解决这些问题从而实现高性能和安全锂硫电池的有效手段，也是近年来该研究领域的重点。从材料的结构上分类，一维、二维、三维和空心结构各具优势，如能提供高效的电子传输路径、丰富的吸附/催化活性位点、对多聚硫的物理阻隔以对电极体积膨胀的缓冲等。从材料化学角度来看，该领域的研究重心经历了从强调导电性（如碳材料）以提高硫的利用率，到专注于对多聚硫的强化学吸附作用（如金属氧化物）实现电池的长循环稳定性，再到钟情于电催化作用（如金属硫化物，氮化物等）从而促进硫转化效率来提高锂硫电池的倍率性能。空心结构因其独特的结构优势被认为是理想的硫宿主材料（如下图所示）。该类结构不仅能对硫正极体积膨胀提供缓冲空间以及对多聚硫提供物理限制的作用，通过合理的结构设计还可以实现高硫载量、高导电性、强化学吸附及催化的特点。日前，澳大利亚昆士兰大学王连洲团队黄霞博士，罗彬博士等，以材料的空心结构为暗线，不同化学性质纳米材料为明线，梳理了近年来空心纳米复合硫正极的设计、合成和表征，并总结了其用于实现高容量、长循环、高倍率性能的锂硫电池的进展。
基于锂硫电池的电化学过程、优点、挑战以及宿主材料设计原则，该综述首先阐述了空心硫正极材料的优势，并从形成方法角度对已报道的空心硫正极材料进行了分类：一类是将硫用熔融扩散法渗透或用溶解吸附法分散于事先制备好的空心纳米材料中；另一类是以事先制备好的纳米硫颗粒为模板，在其表面原位形（合）成目标材料，最终实现空心硫正极。文章主体由无机空心材料和有机空心材料两部分组成。无机部分主要介绍了金属氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、磷化物、氢氧化物以及金属等复合空心纳米材料的特点及其在锂硫电池上的应用。该部分以金属氧化物，硫化物，氮化物为重点，详细介绍具有代表性的空心硫复合正极的设计、合成策略（如通过构筑复合结构以何扬长避短：氧化物对多聚硫具有强的化学吸附作用但是其导电性差），以及多种测试手段用以表征材料的吸附，催化作用（如电化学测试表征材料的催化作用）以及相应锂硫电池电化学性能测试。在有机空心硫正极材料上的研究，该综述着重介绍了导电聚合物和金属有机骨架的在锂硫电池中的应用。最后，作者基于空心硫正极结构在锂硫电池体系中的性能和稳定性优势上的理解，指出了未来空心纳米复合结构硫正极在实现高性能锂硫电池目标上的潜在研究方向，如材料设计过程中应考虑材料合成的难易程度、原料价格、规模生产可能性及电化学性能的可重复性。同时作者倡议为规范不同体系的比较，锂硫电池标准化测试亟待建立。
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Recent advances of hollow-structured sulfur cathodes for lithium–sulfur batteries
Xia Huang, Tengfei Qiu, Xinghao Zhang, Lei Wang, Bin Luo and Lianzhou Wang
Mater. Chem. Front., 2020, Advance Article
http://dx.doi.org/10.1039/D0QM00303D
*文中图片皆来源上述文章
此文章来自特别专辑
Hollow Structures for Energy Applications（“阅读原文”获取更多信息）
通讯作者简介
黄霞 博士
澳大利亚昆士兰大学 纳米材料研究中心
黄霞博士，现在澳大利亚昆士兰大学，澳大利亚纳米材料研究中心（Nanomac），澳大利亚生物工程与纳米技术研究所（AIBN）从事博士后研究。2020年初获得澳大利亚昆士兰大学博士学位（导师王连洲教授，罗彬博士）。主要从事新型二维复合材料的设计，合成，表征及其在锂硫电池中的应用研究，其研究工作发表在Advanced Energy Materials, Small, Coordination Chemistry Reviews 等期刊。
罗彬 博士
澳大利亚昆士兰大学 纳米材料研究中心
罗彬博士，2008年于中南大学冶金科学与工程学院获工学学士学位，2013年于中国科学院大学国家纳米科学中心获博士学位，2014年加入澳大利亚昆士兰大学王连洲教授团队从事博士后研究工作，2017年获聘澳大利亚研究理事会青年学者。主要从事功能纳米材料的可控制备及其在储能领域的应用。迄今为止在重点国际期刊发表学术论文90余篇，其中11篇论文入选ESI高引论文，学术论文总引用次数达5000余次；已授权国家发明专利13项。曾获得中国科学院优秀博士学位论文奖，中国科学院院长优秀奖，北京市科学技术奖，澳大利亚国家研究基金理事会青年学者奖等多个荣誉奖项。
王连洲（Lianzhou Wang） 教授
澳大利亚昆士兰大学 纳米材料研究中心
王连洲（Lianzhou Wang）教授，昆士兰大学化工学院教授和澳大利亚桂冠教授，澳大利亚纳米材料研究中心（Nanomac）主任，澳大利亚生物工程与纳米技术研究所（AIBN）兼职课题组长。1999年在中科院硅酸盐研究所获博士学位。主要从事半导体纳米材料的合成及其在清洁能源领域的应用，2018年其团队创造了新型量子点太阳能电池认证转换效率的世界记录。先后在诸多国际学术期刊发表论文400余篇，承担或参与了澳大利亚基金委、澳洲科学院、昆士兰州政府以及工业界等40余项竞争性研究项目。获得澳洲基金委女王伊丽莎白学者，未来学者和桂冠学者称号，昆士兰大学研究优秀奖及优秀研究生导师奖，澳洲寻找未来之星奖，国际化工学会杰出研究奖等，入选澳洲基金委专家委员会和英国皇家化学会会士，科睿唯安“高被引科学家”等。任澳洲材料科学与工程全国委员会副主任。
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