372 Wh kg-1锂-硫软包电池：氮掺杂碳骨架负载单分散FeS2催化剂

锂硫（Li-S）电池因其成本低、能量密度高（2600 Wh kg^-1）等优点，被认为是最有前途的下一代电池技术之一。然而，单质硫的电子电导率极低、多硫化锂（LiPSs）导致的穿梭效应以及中间产物Li₂S₂到Li₂S固-固转化动力学缓慢等瓶颈问题，使得硫正极中活性材料利用率低，难以实现其设计的高能量密度和长效稳定性能。因此，合理设计高效的硫正极载体，实现对多硫化物的有效锚定，并加速其固-固转化动力学对于高能量密度锂硫电池的实用化发展至关重要。

【主要工作】

近日，国防科技大学郑春满团队报道了一种低成本的氮掺杂多孔碳骨架（CPC）)负载FeS₂纳米簇作为高效电催化剂（CPC@FeS₂），用于加速Li₂S₂到Li₂S转化反应动力学。结果表明，CPC@FeS₂作为硫载体不仅可以提供充裕的内部空隙缓解高负载量硫在转化过程中巨大的体积变化，还为多硫化物的吸附和固态中间产物如Li₂S₂的转化提供丰富的催化活性位点。基于该骨架载体的硫正极（S/CPC@FeS₂）在900次长循环中单圈容量衰减率仅为0.043%。在8.4 mg cm^-2的高硫负载和3.5 μL mg^-1的低液/硫比条件下，Li-S软包电池的面容量为8.5 mAh cm^-2, 对应的能量密度达到338 Wh kg^-1。进一步优化硫负载量和液/硫比将锂硫软包电池能量密度推高至372 Wh kg^-1。该成果以“Monodispersed FeS₂ Electrocatalyst Anchored to Nitrogen Doped Carbon Host for Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在国际材料领域知名期刊Advanced Functional Materials上。本文第一作者为国防科技大学孙巍巍副研究员和刘双科副教授，通讯作者为国防科技大学郑春满教授和瑞典查尔姆斯理工大学熊仕昭研究员。

【内容表述】

图1. 正极骨架合成和电催化过程示意图。（a）S/CPC@FeS₂的合成步骤，（b）碳原子和单原子对Fe³⁺离子的吸附能，（c）FeS₂对于多硫化物的催化示意图。

图2. CPC@FeS₂骨架和硫复合正极形貌。（a,b）CPC和（c,d）CPC@FeS₂的SEM图，（e,f）CPC@FeS₂的TEM图，（g-l）S/CPC@FeS₂的TEM图和元素分布图。

图3. 碳骨架和硫正极的化学与结构分析。（a）CPC在水溶液中的Zeta电位，（b,c）CPC中C1s和N1s的XPS图，（d）CPC的吸脱附曲线和孔径分布图，（e,f）S/CPC@FeS₂的XRD和热重曲线。

图4. CPC@FeS₂骨架和多硫化锂间的作用研究。（a）CPC和CPC@FeS₂载体对于聚硫锂的吸附对比，（b,c）CPC@FeS₂载体吸附聚硫锂前后Fe2p和S2p的XPS图；（d-g）聚硫锂在FeS₂（200）表面结合能（d）和吸附模型以及差分电荷分布图（e-g）。

图5. 硫活性物质在/CPC@FeS₂骨架上的电化学动力学。（a）S/CPC@FeS₂硫正极在不同扫速下的循环伏安曲线图，（b-d）不同硫正极氧化/还原峰电流对应扫速平方根图，（e,f）S/CPC@FeS₂硫正极原位XRD图，（g,h）FeS₂和氮掺杂碳表面Li₂S₂向Li₂S转变的解离能。

图6. 锂硫扣式电池的电化学性能。（a）S/CPC@FeS₂和S/CPC正极在0.1mV/s扫速下的循环伏安曲线图，（b）阻抗图，（c）0.1C充放电曲线，（d,e）倍率性能图，（f,g）循环性能图。

图7. 锂硫软包电池的电化学性能。（a,b）基于S/CPC@FeS₂正极软包电池的照片和结构图，（c）软包电池充放电曲线，（b,e）不同硫载量、液/硫比条件下软包电池的循环性能，（f,g）软包电池的性能参数对比图。

【总结】

本研究设计和合成了氮掺杂碳骨架负载单分散FeS₂催化剂作为高效硫载体用于高能量密度锂硫电池。CPC@FeS₂硫载体具有高导电性电子网络、理想的多孔结构和丰富的催化活性位点，同时该复合材料展现出更强的多硫化锂吸附能力，更高的锂离子扩散速率以及更快的固-固转化反应动力学，有利于提升活性硫的利用率和硫正极的电化学性能。基于S/CPC@FeS₂的锂硫电池具有1459 mAh g^-1的高比容量和900次以上的稳定循环。在硫负载量为7.1 mg cm^-2, 液/硫比为4 μL mg^-1的实用化条件下，锂硫软包电池的能量密度达到372 Wh kg^-1。该研究不仅为设计硫物种高效转化的碳基载体材料提供了一种策略，而且验证了此类材料在高能量密度锂硫电池中规模应用的潜力。

W. Sun, S. Liu, Y. Li, D. Wang, Q. Guo, X. Hong, K. Xie, Z. Ma, C. Zheng, S. Xiong, Monodispersed FeS₂ Electrocatalyst Anchored to Nitrogen‐Doped Carbon Host for Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials, 2022.

https://doi.org/10.1002/adfm.202205471

课题组简介

国防科技大学郑春满团队长期围绕高性能能源材料、器件及系统持续开展研究，主要包括：（1）高安全/长寿命锂电池技术研究；（2）高比功率锂电池技术研究；（3）高比能量锂电池技术研究，取得了系列创新成果和工程应用。近年来，以第一/通讯作者在ACS Nano, Nano Energy, Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A, 等知名期刊发表SCI学术论文120余篇；出版学术专著3部；申请国家发明专利30余项；承担国家自然科学基金、863、173等科研项目30余项；获军队科技进步二等奖1项、湖南省自然科学三等奖1项。