关键要点

  • 锂硫电池具有改变储能的潜力,具有卓越的理论容量和性能,以及供应充足的元素。但复杂的反应机理,特别是在放电过程中,一直难以解决。
  • 加州大学洛杉矶分校的研究人员已经确定了导致能量损失和电池寿命缩短的复杂硫还原反应的关键途径。
  • 该研究的结果首次建立了整个反应网络,并为改进电池的电催化剂设计提供了见解。

锂硫电池可以以更低的成本储存比目前最先进的锂离子电池多 5 到 10 倍的能量。目前的锂离子电池使用氧化钴作为阴极,这是一种昂贵的矿物,其开采方式会危害人类和环境。锂硫电池用硫代替氧化钴,储量丰富且价格便宜,成本不到钴价格的百分之一。

但有一个问题:化学反应,特别是硫还原反应,非常复杂,而且不是很清楚,不希望的副反应可能会在传统电池之前结束电池的寿命。

现在,由加州大学洛杉矶分校化学家Xiangfeng Duan和Philippe Sautet领导的研究人员已经破译了这种反应的关键途径。这些发现在发表在《自然》杂志上的一篇论文中进行了概述,将有助于微调反应以提高电池容量和寿命。

锂硫电池中的硫还原反应涉及 16 个电子,在催化反应网络中将一个八原子硫环分子转化为硫化锂,该催化反应网络具有许多交织的分支和不同的中间产物,称为锂多硫化物和许多其他副产物。由于这是一个非常复杂的反应,有许多路径相互分叉,并且有许多中间产物对继续反应很重要,因此很难研究,甚至更难弄清楚反应的哪些部分可以提高电池性能。

“尽管致力于改善锂硫电池的表观性能,但基本反应机理仍未确定,”通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学和生物化学教授Duan说。“该反应网络中用于硫还原反应的主要分支仍然是一个相当大的争论话题。

一个特别感兴趣的问题是多硫化物中间体迁移到锂金属阳极并与之反应的副反应,其中消耗硫和锂,导致能量损失和存储容量迅速降低。明确识别关键中间体并更好地了解这些中间体的生产或消费方式将有助于科学家控制电极之间的这种迁移,并最大限度地减少硫和锂的浪费。

这项新研究首次破译了整个反应网络,确定了主导分子途径,并揭示了电催化在改变反应动力学中的关键作用。

该团队首先使用理论计算来绘制所有可能的反应途径和相关中间体,然后进行电化学和光谱分析来验证计算结果。

Li2S 4 作为主要中间体主导了电池性能,催化对于将 Li 2 S4 完全转化为最终放电产物 (Li2S) 至关重要。掺杂硫和氮的碳基电极可以有效地促进这种转化。他们的研究还发现,中间体Li2S6不直接参与电化学过程,而是作为副化学反应的主要产物存在,并显着促进了不需要的多硫化物穿梭效应。

“我们的研究提供了对锂硫电池中硫还原反应的基本理解,并证明设计合理的催化电极材料可以加速充放电反应,减轻副反应并提高循环寿命,”段说,他于 12 月被美国国家发明家学院选为 2023 年院士。

“电池技术和催化科学的结合为快速和高容量的能量转换设备开辟了新的途径,”Sautet说,他是Levi James Knight, Jr.卓越任期主席。

这项工作得到了由美国能源部科学办公室基础能源科学计划资助的跨长度尺度合成控制中心的支持。