5分钟之内完成充放电：乔世璋院士团队研发双金属催化剂，实现高锂硫电池功率密度
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麻省理工科技评论-5分钟之内完成充放电：乔世璋院士团队研发双金属催化剂，实现高锂硫电池功率密度
近日，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋院士团队成功让锂硫电池在 5 分钟之内完成单圈充电或单圈放电，解决了锂硫电池的关键瓶颈问题。
具体而言，他们以一系列碳基过渡金属催化剂为例，依据勒夏特列原理，首次提出了硫还原反应（SRR）的动力学趋势。
这一趋势所描述的内容是：SRR 的动力学会随着多硫化锂浓度的增加而提升。也就是说，这两者之间存在着数学关系。
这个趋势显明：可以通过设计相关的催化剂，来提升多硫化锂的浓度，进而提升 SRR 的动力学。
研究中，课题组通过同步辐射 X 射线吸收光谱测量和分子轨道理论计算证明：催化剂的反键轨道占据率，决定着多硫化物的浓度。
因此，可以通过调节催化剂的轨道占据，来提升多硫化锂的浓度，进而提升 SRR 反应动力学。
利用本次建立的动力学趋势，该团队设计出一种纳米复合 CoZn/碳催化剂，并将其用于锂硫电池的正极之中。
这时，在高硫面负载量（5mgcm-2）、贫电解液（E/S=4.8）、高电流密度（8.0C）等条件下，锂硫电池实现了稳定循环，功率密度高达 26120W kgS-1，这让锂硫电池在 5 分钟之内就能完成充放电。
总的来说，本次工作提出了全新的概念，既实现了深入的机理分析，也实现了极其优异的电化学性能。
预计本次打造的高功率锂硫电池，在便携式电子产品和电网储能系统中具有广阔的应用前景。
具体而言，它能被用于各种设备，比如手机、笔记本电脑、电动汽车、大规模供电站等。
由于这款锂硫电池具备高功率的特性，因此非常适用于快速充放电的场景中。例如，当手机没电的时候，使用这款锂硫电池，能在几分钟之内把手机电量充满。
再比如，当电动汽车快没电的时候，可以将汽车驶入充电站。这时，充电站可以针对搭载这种锂硫电池的电动汽车，在几分钟之内完成满充。
总的来说，这款锂硫电池的快速充放电特性，将极大地方便人类的日常生活。
事实上，这一研究的相关论文之所以能发在 Nature 大子刊上，也是因为解决了领域内的一个长期难题。
在本次研究开始之前，锂硫电池已经发展了 20 年左右，它的能量密度很大，比商用锂离子电池高出 2-3 倍。
但是，锂硫电池的功率密度依旧很低，即充放电速度很慢。在锂硫电池 20 年的发展过程中，这一问题始终没有得到解决。
当下，锂硫电池每完成一次充放电仍然需要几个小时，限制了其在快速充放电场景中的应用。
2021 年，乔世璋开始让学生研究锂硫电池快充的问题，即如何提升电池的功率密度。
由于该课题组在催化剂设计上拥有较为深厚的基础，所以他们开始设想：能否利用催化剂来实现锂硫电池的快速充放电？
因为究其根本：锂硫电池充放电慢的原因，在于硫的转化反应慢。而催化剂的实质在于可以降低反应的活化能，从而提升反应的动力学。
由此可见，锂硫电池和催化剂互相结合，能够有效解决锂硫电池充放电速率慢的瓶颈问题。
于是，他们定下了这一目标：利用催化剂实现锂硫电池的快速充放电。
锂硫电池的充放电速率，和硫还原反应的动力学相关。因此他们面临的问题是：硫还原反应的动力学和哪一个参数相关？以及如何调控和优化硫还原的动力学？
要想解决上述问题，就得建立一个硫还原的动力学趋势。
浓度，是描述动力学的最基本的参数。但是，对于硫还原反应来讲，此前很难通过原位监控的方式，来检测多硫化锂在催化剂表面的浓度变化。
通过长期摸索之后，该团队发展出一套原位紫外光谱设备，针对催化剂表面多硫化锂浓度随电压变化的规律实现了原位监测。
以 Fe、Co、Ni、Cu、Zn 等一系列碳基过渡金属催化剂为例，他们发现硫还原反应的动力学，与多硫化锂在催化剂表面的浓度相关，即动力学会随着多硫化锂浓度的增加而提升。
这意味着需要通过提升多硫化锂在催化剂表面的浓度，来加快硫还原反应的动力学。
那么，多硫化锂的浓度是由催化剂的什么性质决定的？设计怎样的催化剂才是最有效的？
通过理论计算结合同步辐射的手段，课题组从理论和实验两个方面，同时验证了这一规律：即催化剂反键轨道的电子占据率，决定着多硫化锂在催化剂表面上的浓度。而不同催化剂电子轨道的 eg/t2g 数值，与多硫化锂的浓度线性存在相关性。
为此，他们设计了纳米复合 CoZn/碳催化剂，其具有更高的 eg/t2g 数值、以及更高的多硫化锂浓度。作为一款双金属催化剂，它的 SRR 性能明显优于其它单金属催化剂。
将其用于锂硫电池之中，电池的功率密度得到大幅提升，从而可以在高硫负载量和贫电解液的前提下，完成快速的充放电。
最终，相关论文以《通过过渡金属/碳纳米复合电催化剂工程开发大功率电池》（Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering）为题发在 Nature Nanotechnology（IF 38.3）。
Huan Li 是第一作者，乔世璋担任通讯作者[1]。
另据悉，该课题组的研究主要建立在“新材料”“新反应”“新方法”和“新机理”上。
在每一次研究中，乔世璋都会对学生进行宏观方向上的指导。当学生进行到某一个具体课题的时候，他都会问：“你的课题创新点和亮点在哪？你的工作与之前报道的工作有什么不同之处？你的工作对实际应用有何重要意义？”
“概括来说，我们团队的工作主要建立在一个‘新’字，争取对以往的研究进行创新，做一些不同的、让读者眼前一亮的课题，同时兼顾性能的提升，实现向实际应用上的迈进。”乔世璋说。
实际上，在电池的研究上该团队也开辟了不少其他方向，例如水系电池、固态电池、金属-硫电池和电池回收等。
乔世璋表示，相信本次工作所提出的快充理念和方法相信也可以应用到其它的电池体系中，目前该团队也在进行相关的研究。
此外，针对高安全性水系电池的设计、固态电池中电解质的开发、锂离子电池电极材料回收、高能量密度且快充的金属-硫电池方向，课题组也在进行相关研究。
除了电池相关的研究之外，在电催化、光催化和理论计算与机器学习方面，该团队做了大量的研究工作。
乔世璋说：“我们的整体思想是依据一个创新性的课题，结合前沿的表征手段，例如同步辐射、原位光谱、理论计算与机器学习等，开发新材料和新反应、提出新方法、探究化学反应的新机理等。”
凭借在电催化领域深耕多年的基础，他们曾提出电炼制（E-Refinery）、相关联单原子催化剂（Correlated Single-atom Catalyst）、表面微环境（Local Environment）对催化的影响、海水直接电解制氢（Direct Seawater Electrocatalysis for Hydrogen production）等新概念，相信会给电化学能源的储存与转化带来一定的指导意义。
参考资料：
1.Li， H.， Meng， R.， Ye， C.et al. Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01614-4
运营/排版：何晨龙
支持：邹名之、大义（时间顺序）
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