大连化物所刘健、吴忠帅研究员 EES 综述：纳米反应器工程用于金属硫族电池

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研究背景

在各类电化学储能技术中，金属硫族电池由于成本低、能量密度高的优势被视为传统锂离子电池的替代品。然而实现电极材料的合理设计和可控合成仍然存在很大的挑战。研究表明金属硫族电池的纳米反应器的电极理性设计可以有效地解决金属硫族电池中面临的问题，获得优异的电化学性能，因而受到广泛关注。最近大连化物所的刘健研究员团队联合吴忠帅研究员团队，和天津大学梁骥教授研究团队组结合其课题组与其他课题组的研究工作，系统介绍了纳米反应器在金属硫族电池中的研究现状与应用前景。

该成果以“Engineering Nanoreactors for Metal-Chalcogen Batteries”为题发表在英国皇家化学会期刊 Energy & Environmental Science 上，该文章被选为封面文章。

文章导读

该综述首先介绍了介绍了构建不同形貌和尺寸的纳米反应器的主要合成策略（图1）：包括（a）硬模板法；（b）软模板法；（c）选择性化学蚀刻法；（d）水热法。（e）柯肯达尔效应。（f）喷雾热解法。（g）伽尔瓦尼还原法。

▲	图 1. 合成纳米反应器的主要策略示意图

▲	图 2. 零维纳米反应器在金属硫族电池的应用

文章分别分类介绍了零维结构、一维结构、二维结构、三维结构的纳米反应器在金属硫族电池中容纳活性物质和电催化反应物质氧化还原方面的各自优势。

具体来讲，零维结构纳米反应器具有较高的表面积与体积比（图 2）。可以较好地容纳活性物质并能够和纳米反应器载体实现良好的接触。此外，通过在纳米反应器上负载合适的电催化剂，可以实现多硫化物的有效的氧化还原反应。

▲	图 3. 一维纳米反应器在金属硫族电池的应用

一维碳结构的纳米反应器具有较高的长径比（图 3），有利于实现硫族活性物质与一维纳米反应器壁的良好导电接触。并且，一维纳米反应器的薄壁结构，便于活性物质扩散到催化活性中心，从而促进了多硫化物的氧化还原反应。

▲	图 4. 二维纳米反应器在金属硫族电池的应用

二维结构纳米反应器，通常具有平面几何结构（图 4），使得活性物质能够高效地进行扩散传质并且快速地接触到催化活性中心，实现快速的催化转化。

▲	图 5. 三维纳米反应器在金属硫族电池的应用

三维结构纳米反应器包含的结构更加广泛，在纳米工程和设计方面更为灵活（图 5）。这些结构包括中孔/大孔颗粒、空心球、蛋黄壳球体和多壳型颗粒等尺寸大于 500 nm 的纳米材料组成。三维纳米反应器可以为硫族活性物质提供更大的活性表面。此外，三维纳米反应器很容易被金属基纳米颗粒或单原子修饰等电催化剂修饰，极大地增强了其电催化氧化还原反应能力。

▲	图 6. 纳米反应器在金属硫族电池中的主要功能

然后文章系统的介绍了纳米反应器在金属硫族电池中的主要功能。即：（1）导电基体；（2）容纳活性物质；（3）固定反应中间物种；（4）加速活性物质氧化还原；（5）稳定金属负极（图6）。

文章最后系统的总结了一些在金属硫族电池中应用的典型纳米反应器，并从（1）正极结构设计；（2）负极结构设计；（3）合成方法；（4）原位表征；（5）理论计算；（6）能量密度；（7）经济可行性等方面对纳米反应器在金属硫族电池中的应用和未来发展进行了展望（图7）。

总结

在过去的几年里，金属硫族电池取得了巨大进步。但考虑到金属硫族电池中硫族正极的多硫化物穿梭，反应动力学较慢以及锂负极锂枝晶的问题导致金属硫族电池的商业化应用进程受阻。迫切需要提出更高效、更可持续和更高能量的电极设备的新技术。因此，纳米反应器被开发出来，在解决金属硫族电池的上述问题具有巨大的应用潜力。纳米反应器主要的优势之处有：（1）合适的比表面积、孔体积和孔大小；（2）中空结构和高孔隙率；（3）高效硫族活性物质封装；（4）高导电性；（5）正极结构上电催化材料良好分散；（6）负极锂金属稳定沉

论文信息

• Engineering Nanoreactors for Metal-Chalcogen Batteries
  Yash Boyjoo, Haodong Shi, Qiang Tian, Shaomin Liu, Ji Liang,*（梁骥，天津大学） Zhong-Shuai Wu,*（吴忠帅，中科院大连化物所） Mietek Jaroniec, Jian Liu*（刘健，中科院大连化物所）
  Energy Environ. Sci., 2021,14, 540-575
  
  

原文链接
http://doi.org/10.1039/D0EE03316B

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