北京化工大學于中振教授和曲晉副教授等人通過構(gòu)筑具有Fe-Nx配位結(jié)構(gòu)的Fe-N共摻雜空心碳球(Fe-NHC)，實現(xiàn)了單原子Fe的原位摻雜。薄壁的空心碳球可以使單原子催化中心充分暴露，從而致使Fe-NHC有效吸附可溶性長鏈多硫化物并催化其轉(zhuǎn)化反應(yīng)，實現(xiàn)高性能鋰硫電池。
圖1：Fe-NHC的制備示意圖 鋰硫電池因其高能量密度(2600Wh/kg)和低成本的優(yōu)勢，近年來被視為非常有潛力的新型電池。但鋰硫電池存在的一些固有弊端，包括活性物質(zhì)硫較差的導電性、充放電過程中中間產(chǎn)物多硫化物的穿梭效應(yīng)及硫的膨脹效應(yīng)等都嚴重限制了鋰硫電池的實際應(yīng)用。單原子催化劑憑借其獨特的電子結(jié)構(gòu)及理論原子利用率100%的特點，受到了鋰硫電池研究工作者的關(guān)注。單原子催化劑可以顯著催化鋰硫氧化還原反應(yīng)的進行，加速長鏈多硫化物向Li2S2/Li2S的轉(zhuǎn)化，從而抑制穿梭效應(yīng)，并且即使在很低的負載量下也可以發(fā)揮很好的催化效果，實現(xiàn)高性能鋰硫電池。然而金屬原子具有較高的表面能，在高溫下極易團聚，原子的均勻分散一直是一個棘手的問題。 基于這一問題，課題組從分子尺度出發(fā)，通過具有鐵氮配位的氯化血紅素和多巴胺之間的酰胺化反應(yīng)，實現(xiàn)在多巴胺聚合過程中均勻分散封裝Fe-Nx配位活性結(jié)構(gòu)，有效防止單原子鐵的團聚。將通過聚合物封裝法制備的Fe-NHC用作鋰硫電池隔膜涂層：一方面，負載于超薄空心碳球上并且充分暴露的單原子Fe的強催化作用，可以有效加速多硫化物轉(zhuǎn)化并降低電池極化；另一方面，多孔碳球基底的物理吸附作用及Fe-Nx位點對多硫化物的化學吸附作用進一步協(xié)同抑制穿梭；此外，導電基體可以作為二次集流體，有效減小界面電荷轉(zhuǎn)移阻抗，提高活性物質(zhì)硫的轉(zhuǎn)化效率。因此，F(xiàn)e-NHC分別在0.2C、0.5C、1C及2C下保持了1246.5mA h/g、1069mA h/g、987.9mA h/g和907.4 mA h/g的較高循環(huán)容量，即使在4C的大電流密度情況下，仍能保持高達823.7mA h/g的可逆比容量，其具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。該策略為實現(xiàn)高性能鋰硫電池及促進其實際應(yīng)用具有潛在的意義。 圖2：Fe-NHC組裝的鋰硫電池的電化學性能 論文信息 Constructing Atomic Fe and N Co-doped Hollow Carbon Nanospheres with A Polymer Encapsulation Strategy for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries with Accelerated Polysulfide Conversion Ting-Ting Zhang, Cheng-Ye Yang, Prof. Jin Qu, Wei Chang, Yu-Hao Liu, Xian-Zhi Zhai, Hong-Jun Liu, Prof. Zhi-Guo Jiang and Prof. Zhong-Zhen Yu Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202200363
