第一作者：ZhangXiaomin
通讯作者：王新教授；陈忠伟教授
单位：华南师范大学；滑铁卢大学
【背景】
具有高功率密度的储能系统迫切需要满足便携式电子设备和电动汽车快速增长的能源需求。锂硫电池由于其显著的能量密度（2600Whkg-1）而被认为是锂离子电池的理想替代品。然而，由于S8和Li2S/Li2S2的绝缘性，循环过程中硫的体积变化，可溶性多硫化物的穿梭以及反应动力学的迟缓，锂硫电池的商业可行性仍然有限。为了解决这些问题，在过去的几年里，人们做出了许多开创性的贡献。例如，制造优良的阴极材料，改性锂阳极，使用功能性粘合剂，以及优化电解质成分。尽管如此，大多数具有显著电化学性能的锂硫电池的研究都是在低硫负荷（2mgcm-2）下进行的，这与实际应用相去甚远。
单原子（SAs）在锂硫电池中表现出良好的应用前景，因为单个金属中心可以实现最大的原子利用率和高催化活性。如Zhang等人制备了用于锂硫电池的Ni@NG改性隔膜。由于单个Ni活性位点不仅可以化学捕捉LiPSs，还可以通过提高催化活性加速其氧化还原反应，因此锂硫电池具有显著的循环稳定性。众所周知，当阴极的载硫量足够高，以获得高能量密度时，如果载体材料中的活性位点很少，就会造成吸附饱和和多硫化物的不完全转化，从而形成大量难以拦截的多硫化物。根据以往的报道，提高SACs的位点密度可以明显改善氧还原反应（ORR）的电催化性能。此外，当单原子位点的距离足够近时，相邻单原子之间的强相互作用可以改变其电子结构，从而影响其催化活性。同样，在高硫负荷下，大量的SAs可以为LiPSs转化提供足够的催化位点。此外，在相邻单原子的协同作用下，更有利于LiPSs多步骤转化的快速进行。不幸的是，合成化学稳定的SAC的常用策略是金属原子含量极低（5wt%），相邻位点之间的距离相对较长（1nm）。因此，制备原子间距较近（1nm）的高负载SACs是改善高硫负载下锂硫电池循环稳定性的迫切需要。
【工作介绍】
近日，华南师范大学王新教授、滑铁卢大学陈忠伟教授等提出了单锌原子聚集体通过协同相互作用促进锂硫电池中多硫化物的快速转化。该成果以“Singlezincatomaggregates:Synergeticinteractiontoboostfastpolysulfideconversioninlithium-sulfurbatteries”为题发表在国际顶级期刊“AdvancedMaterials()”上。
本工作提出将短原子间距（1nm）的高负载锌SAs均匀分散在有序的N掺杂碳纳米管阵列（ZnN4-NC）上作为硫的宿主，这可以通过协同增强效应加速整个LiPSs转换过程的氧化还原动力学。有序的碳纳米管阵列具有特定的大表面积和高孔隙率，可以通过物理吸附作用限制多硫化物的扩散，有利于离子和电子的快速传输。此外，高负载的ZnSAs提供了足够的活性位点（金属负载≈8.3wt%），以促进高硫负载下的多硫化物转化。因此，采用S@ZnN4-NC阴极的锂硫电池实现了1225.3mAhg-1的高初始放电容量，以及99%的高硫利用率。即使在7.2mgcm-2的高硫负荷下，硫电极在100次循环后仍能提供5.6mAhcm-2的高面积容量，具有出色的长期循环性能，每循环的容量衰减为0.032%，并且在5.0C以下具有快速动力学。在以2.3mgcm-2的载硫量组装成软包电池后，100次循环后仍能提供953.4mAhg-1的良好循环性能。
在有序的N掺杂的碳纳米管阵列（ZnN4-NC）上，均匀分散的高负载锌单原子的原子间距很短（1nm），被合成为锂硫（Li-S）电池中快速氧化还原的硫宿主。由排列的碳纳米管组成的立方体为锂硫电池在高负荷条件下的快速传质提供了通道。此外，由相邻的单原子引起的协同增强效应进一步促进了高硫负荷下硫的快速多步反应。
因此，所获得的锂硫电池表现出了出色的电化学性能。
图1.(a)样品示意图，(b和c)ZIF-7的SEM图像，(d和e)ZnN4-NC，(f)TEM图像，(g)HRTEM图像，(h)ACTEM，(i)ZnN4-NC的元素映射图像。
图2.(a)XRD图，(b)Zn2p和(c)ZIF-7、ZnN4-NC和NC的N1s光谱，(d)Espace拟合结果和(e)K空间拟合结果样品，（f）ZnN4-NC的EXAFS拟合结果，（g-i）不同样品的小波变换。
图3.理论计算。
图4.(a)LSV曲线和(b)不同样品的Li2S氧化的Tafel图；(c)对称电池CV曲线；(d)S@ZIF-7、S@NC和S@ZnN4NC正极的放电曲线和(e)相应的Q2/Q1值，(f)ZnN4-NC电池的CV曲线，(g)不同样品的Li2S沉积曲线，(h)S@ZnN4-NC阴极在0.1C时的原位XRD图。
图5.电化学性能。
总之，通过热解策略，在有序的N掺杂的碳纳米管阵列（ZnN4-NC）上均匀分散了原子间距较短的高负载ZnSAs，作为锂硫电池中快速氧化还原的硫主。由排列的碳纳米管组成的立方体为锂硫电池在高负荷条件下的快速传质提供了通道。此外，由相邻的单原子引起的协同增强效应进一步促进了硫在高硫负荷下的快速多步反应。因此，所获得的锂硫电池表现出突出的循环稳定性，在7.2mgcm-2的高硫负荷（E/S=3.7mLg-1）下，100次循环后的平均容量高达5.6mAhcm-2。即使组装成软包电池，它在100次循环后仍能提供953.4mAhg-1的高容量。
此外，高负载SAC中的位点间距效应首次被应用于锂硫电池，这为锂硫电池催化剂的设计提供了一个新的方向，有助于锂硫电池的商业化。
SingleZincAtomAggregates:SynergeticInteractiontoBoostFastPolysulfideConversioninLithium-sulfurBatteries
AdvancedMaterials()PubDate:2022-12-05,DOI:10.1002/
XiaominZhang,TingzhouYang,YongguangZhang,XingboWang,JiayiWang,YebaoLi,AipingYu,XinWang,ZhongweiChen