中科院化学所辛森研究员综述：硫族元素正极及其转化反应电化学

在各类新型二次电池中，基于金属锂/钠负极和硫族元素正极（如硫、硒、碲及其固溶体化合物）间双电子转化储能反应的二次电池在能量密度方面有显著优势，有望在下一代动力电池和大规模固定式能量存储等领域内获得应用。然而，硫族元素正极的储能电化学反应存在电荷传递慢、体积变化大，反应中间产物与电解质化学不兼容等问题，限制了这类高比能电池体系的实际应用。

近期，中科院化学所辛森研究员在Science China Chemistry上发表了题为 “Chalcogen Cathode and Its Conversion Electrochemistry in Rechargeable Li/Na Batteries”的综述，深入分析了硫族元素正极与碱金属负极之间的转化反应电化学及其对全电池性能的影响，总结了硫族元素正极电化学性能的提升策略，针对锂/钠-硫族元素电池的优化设计提出合理见解，并展望了相关储能技术的未来发展方向（见下图）。

本文系统讨论了不同硫族元素及其固溶体化合物正极的转化反应电化学及其稳定化策略。为提升正极的可逆容量和循环性能，需在促进正极转化反应的同时，稳定正极-电解质界面化学并抑制不良副反应的发生。前期研究表明，通过优化载体材料结构和电解质成分，在正极内引入催化剂等手段，可显著改善硫族元素正极储能电化学的稳定性。除单质正极外，本文还对硫族元素固溶体化合物正极转化反应的特点和优势进行深入探讨。固溶体化合物正极兼具硫元素理论容量高、成本低，和硒、碲元素电导率高、电化学稳定的多重优势，并可在分子层面上对正极元素组成进行精确调控，可针对不同的电池应用场景开发特定的固溶体化合物正极，并配合兼容电解质和金属负极构筑高性能的二次电池。

最后，作者指出，未来硫族元素正极的研究仍有很大空间。对转化反应机理的深入探究，固溶体化合物正极成分的精准调控及兼容电解质的开发，全电池实际性能指标（如库伦效率、质量/体积能量密度、N/P比、E/S比，临界电流密度等）的优化及电池的固态化是未来需要重点关注的方向。锂/钠-硫族元素电池的实现需要能源化学、材料科学、电池管理等领域的通力合作，也将促进未来可持续能源存储技术的蓬勃发展。

详见：Wang YH, Li XT, Wang WP, Yan HJ, Xin S, Guo YG, Chalcogen Cathode and Its Conversion Electrochemistry in Rechargeable Li/Na Batteries. Sci. China Chem. 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9845-5. 论文的共同第一作者是王雅慧和李雪婷，通讯作者是辛森研究员。本文将收录在Sci. China Chem. 2020 Emerging Investigator Issue。

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

作者简介

辛森，中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室研究员，博士生导师，《中国科学：化学》青年编委。博士毕业于中科院化学所，后于德州大学奥斯汀分校从事博士后研究。主要从事锂/钠-硫电池、固态电池等储能系统的电化学、材料化学和界面化学研究。已发表学术论文110篇，获授权发明专利15项，入选2019年科睿唯安“高被引科学家”。