蘭州理工大學(xué)材料與工程學(xué)院湯富領(lǐng)教授課題組通過(guò)第一性原理篩選過(guò)渡金屬摻雜FeS2的硫陰極主體材料，并確定了六項(xiàng)篩選標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)工作為鋰硫電池中陰極主體材料的篩選提供新的策略和理論方法。
鋰硫電池（LSBs）中嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)和緩慢的氧化還原動(dòng)力學(xué)是硫陰極面臨的主要挑戰(zhàn)，是導(dǎo)致LSBs的容量退化和倍率性能差的主要原因。 由于硫陰極在LSBs中的電子傳導(dǎo)性較低，限制了電子轉(zhuǎn)移率，增加了電化學(xué)反應(yīng)的極化。Li+的鋰化和脫鋰路徑取決于陰極的晶體結(jié)構(gòu)。陰極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差會(huì)降低Li+的傳輸效率，從而降低LSBs的倍率性能。硫陰極復(fù)雜的多相和多電子氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，嚴(yán)重限制了LSBs的實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有高倍率性能和長(zhǎng)期可回收性的高性能LSBs陰極材料是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。 最近，過(guò)渡金屬硫化物作為硫陰極主體材料，引起了廣泛的關(guān)注。由于它們的弱共價(jià)金屬-硫鍵，它們?cè)趧?dòng)力學(xué)上更有利鋰硫氧化還原化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致更好的可逆性和可回收性。硫鐵礦(FeS2)是過(guò)渡金屬二硫化物的典型成員，具有環(huán)境友好、成本低廉、理論容量高及資源豐富的優(yōu)點(diǎn)。但FeS2固有的電子電導(dǎo)率低、離子擴(kuò)散性差、體積變化明顯，阻礙其在LSBs中的發(fā)展。我們針對(duì)這一問(wèn)題利用第一排過(guò)渡金屬對(duì)硫陰極主體材料FeS2進(jìn)行摻雜改性并對(duì)其物理化學(xué)性能進(jìn)行了一些探究：通過(guò)摻雜工程來(lái)調(diào)控FeS2的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升FeS2對(duì)多硫化物的吸附及催化性能。 通過(guò)第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)研究了Fe1-xMxS2（M = 過(guò)渡金屬；x = 0、0.125和0.25）的形成能、電導(dǎo)率、功函數(shù)、電荷分布、化學(xué)吸附和催化性能。發(fā)現(xiàn)Ti/V摻雜的FeS2不僅具有較低的晶格畸變和形成能，而且其電荷重新分布更有利于Li+的擴(kuò)散。特別地，Ti/V摻雜的FeS2具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和化學(xué)吸附性，并且對(duì)Li2S沉積表現(xiàn)出較低的熱力學(xué)勢(shì)壘。此外，Li2S分子更加傾向于在Fe0.875Ti0.125S2(001)表面分解為L(zhǎng)iS與Li+。 總的來(lái)說(shuō)，硫陰極主體材料的電學(xué)及電化學(xué)性能可以通過(guò)摻雜來(lái)控制，并且可以通過(guò)電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分設(shè)計(jì)在一定范圍內(nèi)操縱和優(yōu)化。這項(xiàng)工作為陰極主體材料的篩選提供了新的理論方法，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)，有望據(jù)此降低實(shí)驗(yàn)成本和研發(fā)周期。 論文信息 First-principles Screening of Transition-Metal Doped FeS2 As Sulfur Cathode Host for Sulfur Redox Chemistry Cheng-Dong Wei, Hong-Tao Xue, Ruo-Jiao Yin, Hong-Yi Zhang, Zhi-Jun Zhang, Prof. Fu-Ling Tang 文章第一作者為博士研究生魏承東 ChemCatChem DOI: 10.1002/cctc.202300569
