高性能锂硫电池用钴碳复合材料硫宿主

导语本文总结了钴/碳复合材料硫宿主通过催化Li2Sn分解、缓解体积膨胀、抑制多硫化物溶解等提升锂硫电池性能的最新进展。全文速览本文总结了钴/碳复合材料（包括钴纳米颗粒和钴单原子）作为硫宿主的研究进展。总的来说，钴扮演着电催化剂的角色，能够抑制多硫化锂的穿梭效应、加快电化学反应动力学、促进离子/电子转移、缓解体积膨胀。同时，我们展望了钴/碳复合材料作为锂硫电池硫宿主的发展前景。背景介绍近年来，锂离子电池在电动汽车领域得到了广泛应用，但其有限的能量密度已不能满足人们日益增长的里程需求。因此亟需开发高能量密度电池体系了来消除使用者的里程焦虑。在众多电池体系中，锂硫电池具有较高的能量密度和潜在的低制备成本而被认为是极具发展前景的储能设备，其应用于电动汽车展现出巨大的潜力。然而，锂硫电池在实际应用方面仍面临许多难题，包括反应动力学缓慢、体积膨胀大、穿梭效应严重等。为解决这些问题，研究者提出了各种各样的策略优化硫正极。最近，研究人员发现将钴催化剂与碳材料复合作为硫宿主能有效地抑制多硫化锂的穿梭效应、加快电化学反应动力学、促进离子/电子转移、缓解体积膨胀，从而提升锂硫电池的循环稳定性及倍率性能。图文解析本文将最近报道的钴/碳复合材料硫宿主分为两类进行讨论，分别是钴纳米颗粒/碳复合材料和钴单原子/碳复合材料。1、钴纳米颗粒/碳复合材料时至今日，多种钴纳米颗粒/碳复合材料被用于锂硫电池，并且展现出优异的电化学性能。钴纳米颗粒可催化硫的氧化还原反应，促进多硫化物的可逆转化，提高硫的利用率，从而使硫正极发挥更高的容量和更好的倍率性能。同时钴催化剂的加入能够降低Li+扩散能垒、提高多硫化物结合能，促进Li+扩散和吸附多硫化物，从而抑制多硫化物的穿梭效应，使电池具有更好的循环稳定性。碳基底的选择起着至关重要的作用，中空碳材料具有足够的空间可用来存储单质硫，并且可以有效抑制多硫化物穿梭，引起了研究者的广泛关注。将钴纳米颗粒与中空碳纳米管或者中空碳球复合可在实现高载硫量的同时促使电子快速传输、减缓体积变化，从而有效提升电化学性能。多种碳材料复合可以有效的结合他们各自的优点，从而提升电化学性能。例如，将超细的钴纳米颗粒均匀分散在多孔碳纳米笼及三维石墨烯框架上，可以构建无粘结剂的自支撑硫正极，不仅可以加快电子传输，也可以减少电池结构里面的非活性物质占比，从而有效提升锂硫电池的能量密度。2、钴单原子/碳复合材料催化剂的选择性和催化活性与物质表面活性位点的数量密切相关，而减少催化剂的尺寸可有效增加活性位点。单原子催化剂拥有最小的尺寸，不仅能最大限度地利用活性位点，而且具有超高的催化活性和选择性。季恒星教授课题组发现将钴单原子嵌入氮掺杂石墨烯，形成Co-N-C配位中心，可以有效的促进Li2S的形成与分解，从而使硫正极展现出高的可逆容量、优异的倍率性能和长的循环性能。以CoZn-BZIF为前驱体使钴单原子均匀分散在氮掺杂多面体碳基底上，Co-N4活性位点有效地固定了多硫化物并催化其转化，抑制了穿梭效应，从而使其具有优异的倍率及循环性能。空心碳球也被用作钴单原子的载体，以SiO2纳米片为硬模板，通过聚合和热解反应制备出嵌有钴单原子的空心碳球，独特的球形结构提供了丰富的催化位点，极大地提高了载硫量。为了提高钴的含量，研究人员以KCl为模板合成了具有超高钴含量（15.3wt%）的氮掺杂碳纳米片，钴单原子对多硫化物超强的吸附作用有效地抑制了穿梭效应，加快了电化学反应动力学。将钴单原子和ZnS纳米颗粒嵌入高度有序的大孔导电框架，钴和ZnS组成独特的双催化位点，不仅促进了多硫化物转化、抑制穿梭效应，而且提高了电化学反应动力学。同时高度有序的大孔导电框架实现了高载硫量、加快了电子传输。总结展望在本综述中，作者全面综述了钴/碳复合材料（包括钴纳米粒子和钴单原子）作为锂硫电池硫宿主的研究进展。在此基础上，作者从以下几个方面对后续的研究方向进行了展望：（1）尽管各种表征技术已用于揭示钴/碳复合材料在锂硫电池中的作用机制，但在原子尺度上的作用机制仍缺乏深入的研究。因此，发展先进的原位表征技术和DFT计算具有十分重要的意义。（2）虽然钴/碳复合材料作为锂硫电池的硫宿主具有良好的电化学性能，但钴/碳复合材料的制备过程仍有一定的复杂性。因此，迫切需要开发简单、低成本、可扩展的策略，实现大规模制备高性能钴/碳复合材料硫宿主。（3）到目前为止，钴/碳复合材料