华南师范大学Nano Energy：序构硫缺陷ZnS1-x纳米管阵列正极设计助力高性能锂硫电池

【引言】

电动汽车和大规模储能系统的快速发展促进了兼具高能量密度和低成本的新型电池研究。锂硫电池因其高能量密度（2600 Wh kg^-1）引起了科研工作者的广泛关注。但在锂硫电池实际应用过程中，硫电极固有的一些弊端严重限制了其发展，包括硫在室温下的极差导电性、充放电反应中间产物多硫化锂的穿梭效应和硫充放电产物密度相差过大等问题。

【成果简介】

近日，华南师范大学水玲玲教授与加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士合作开发了一种具有精细有序多级结构和多反应活性位点的锂硫电池正极材料。该工作在之前氧缺陷材料的研究基础上，选用了具有高度极化电子云的硫原子作为缺陷主体以求对多硫化锂实现更强的吸附催化作用。研究通过牺牲模板法在碳布表面制备得到富含硫缺陷的ZnS_1-x纳米管阵列，精准序构的ZnS_1-x纳米管结构为锂硫电池氧化还原反应提供了丰富的活性位点，且能够有效缓解硫在充放电反应过程中的体积变化。此外，密度泛函理论计算结果表明，硫缺陷的引入可以优化Zn原子的电子结构，增强其与多硫化锂之间的键合作用，加速锂离子在其表面的迁移速率，同时还能降低Li₂S在其表面的分解能垒，提高硫利用率。基于这些优势，组装得到的锂硫电池表现出优异的倍率性能（高达5C）和优异的循环稳定性（每圈的容量衰减率仅为0.04%），并且在高硫负载量（5 mg cm^-2）下经过100圈循环后仍具有较高的面容量。此外，本工作中，还全面解释了电子结构调节机制和多硫化锂吸附催化反应机理，为后续锂硫电池研究与结构设计提供了可靠的实验参考和理论借鉴。相关研究成果以“Aligned Sulfur-deficient ZnS_1-x Nanotube Arrays as Efficient Catalyzer for High-performance Lithium/Sulfur Batteries”发表于Nano Energy，文章第一作者为华南师范大学在读博士生王加义。

【图文导读】

图1：ZnS_1-x-CC的合成方法及相关物理性质

图2：ZnS_1-x-CC的微观形貌结构表征

图3：密度泛函理论计算结果

图4：锂硫电池的催化性能表征

图5：锂硫电池的电化学性能表征

【总结】

本研究开发了一种富含硫缺陷的序构ZnS_1-x纳米管阵列作为锂硫电池高效正极电催化剂。，Li₂S₆/ZnS_1-x-CC电极在测试过程中显示出优越的稳定可逆容量和高硫面载循环能力。优化调节的Zn原子电子结构增强了对多硫化物的吸附能力，促进了多硫化物吸附和转化动力学。同时，独特的多级结构为和多硫化物之间的反应提供了丰富的活性位点。这种缺陷工程与形貌设计相结合的设计方式促进了锂硫电池正极电催化剂的发展，并有望在多功能电催化剂中发挥重要作用。

Jiayi Wang¹, Yan Zhao¹, Gaoran Li, Dan Luo, Jiabing Liu, Yongguang Zhang, Xin Wang, Lingling Shui^*, Zhongwei Chen^**, Aligned Sulfur-deficient ZnS_1-x Nanotube Arrays as Efficient Catalyzer for High-performance Lithium/Sulfur Batteries, Nano Energy, 2021, 105891. DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105891

通讯作者介绍：

水玲玲教授：华南师范大学教授，华南师范大学信息光电子科技学院院长，光流控技术与系统国际联合实验室中方主任。主要研究方向为光电材料与器件，采用微流控技术结合“自上而下”和“自下而上”方式构建功能微结构和材料，应用于显示、传感和能源领域。近年来在ACS Nano，Small, Advanced Materials，ACS Optical Materials, Lab on a Chip, Sensors and Actuators B等期刊发表论文130余篇，他引超过1600次，H因子22。担任Lab on a Chip和Micromachines杂志客座编辑。

陈忠伟教授：加拿大滑铁卢大学化学工程系教授，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大国家首席科学家(CRC-Tier 1), 国际电化学能源科学院副主席，加拿大工程院院士，加拿大皇家科学院院士，全球高被引科学家。陈忠伟院士研究团队常年致力于燃料电池，金属空气电池，锂离子电池，锂硫电池，锂硅电池，液流电池等储能器件的核心材料和系统的研发和产业化。近年来在Nat. Energy, Nat. Nanotech., Nat. Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., Energy. Environ. Sci., 等国际知名期刊发表SCI论文350余篇，被引 30000余次, H-index 指数88，并担任ACS applied & Material Interfaces副主编。课题组主页：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/