SmartMat|综述：面向金属硫电池多硫化物调控的先进二维材料
学术
科技
2024-10-17 12:14
天津
Haining Fan, Wenbin Luo, Shixue Dou, Zijian Zheng. Advanced two-dimensional materials toward polysulfides regulation of metal–sulfur batteries. SmartMat. 2023; 4:e1186.
https://doi.org/10.1002/smm2.1186
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金属硫电池以较低的成本提供了相当高的能量密度，是未来远程电动汽车和大规模电网的一种有吸引力的储能技术。金属硫电池的一个主要挑战是其长期循环稳定性，由于各种可溶性多硫中间体的产生和这些中间体通过分离器的穿梭，这种稳定性显著恶化。此外，与硫/硫化物族的导电性差相关的内在缓慢的反应动力学导致循环行为中大的极化，这进一步恶化了电极的可充电性。为了解决这些问题，科研人员花费了大量的精力来设计智能阴极，以精细地定制硫供体与多硫化物之间的物理化学相互作用。本文总结了通过缺陷工程、杂原子掺杂、异质结构、相和界面工程等配位控制方法，在二维(2D)主体材料中表现出优越的物理化学性能稳定性的关键进展。因此，本文结合可能的结构-性质关系和理论分析，讨论了多硫化物在特定配位环境下的锚定和催化机理。这一综述将为未来的供体设计提供前瞻性的基础指导。
图 1. (A)锂硫电池原理图。(B)典型的硫转化机理示意图，对应的电压曲线如图(C)所示。(D)锂硫电池与锂离子电池的重要参数总结。(E, F)目前金属硫电池中应用的无金属和金属基二维材料示意图。图 3. 典型碳质硫供体示意图:(A) CMK-3。Copyright 2009, Nat. Mater.(B)高扭曲度。Copyright 2020, Matter. (C)典型碳骨架：碳纳米球、碳纳米管、碳纳米片及其杂化体。Copyright 2018, Electrochim. Acta. Copyright 2017, Small. Copyright 2020, J. Phys. Energy. Copyright 2012, ACS nano.
图 4. 修饰石墨烯的官能团:(A)−OH/−O−在石墨烯的六元环结构上诱导波纹，从而增强S与C-C键的结合。Copyright 2011, J Am Chem Soc.(B)与−O−基团相比，−OH引起了更不对称的电荷分布、更大的极化和更强的静电相互作用。版权所有:ACS Nano;(C) -NH2-使N-Li和C-S结合形成。Copyright 2013, ACS Nano. 图 5. 杂原子掺杂剂功能化石墨烯:(A) C-S键随着N…Li2Sx的形成而消失。Copyright 2014, Nano Lett.(B)富电子给体N以及感应和共轭效应都实现了Li键的增强。Copyright 2017, Angew Chem Int Ed.(C) N掺杂剂促进硫在氧官能团上的吸附。Copyright 2014, Adv Funct Mater.(D)碳上不同原子掺杂剂的结合能比较，包括B、N、O、F、P、S和Cl。Copyright 2016, Wiley-VCH.
图 6.典型的石墨烯类似物硫供体示意图:(A)磷烯纳米片。Copyright 2016, Adv Mater. (B)氮化碳纳米片。Copyright 2018, Adv Energy Mater.(C)氮化硼纳米片。Copyright 2018, Adv Energy Mater.
图 7. 金属单原子:(A)石墨烯上的铂簇电催化完全多硫化物氧化还原。Copyright 2015, J Am Chem Soc.(B)在N掺杂石墨烯上生长的Co单原子赋予Co-N-C催化位点。Copyright 2019, J Am Chem Soc.图 8. 金属氧化物/氢氧化物:(A) MgO/Al2O3/CeO2/La2O3/CaO非导电金属氧化物的比较，区分了表面扩散的重要作用。Copyright 2015, Nat Comm.(B) NiCo层状双氢氧化物有利于Li-O键的形成。Copyright 2021, Adv Sci.(C) MnO2与初始形成的锂多硫化物反应形成表面结合的中间体。Copyright 2014, Nat Comm.(D) MnO2允许在循环MnO2/Li2S4中形成多硫硫酸盐。Copyright 2020, Copyright 2015, J Mater Chem A.图 9. 金属硫族化合物:(A) CoS2亲硫宿主。Copyright 2016, Nano Lett.(B) CoS2功能化碳布。Copyright 2021, Adv Sci.(C) MoS2修饰石墨烯。Copyright 2021, Adv Energy Mater.(D) TiS2局限于N, S共掺杂碳中。Copyright 2019, Adv Energy Mater.图 10. 金属氮化物:(A) TiN。Copyright 2019, ChemistrySelect.(B) TiN。Copyright 2021, Small.（C）VN。Copyright 2014, Nat Comm.（D）VN。Copyright 2018. Adv Funct Mater.（E）CoN4。Copyright 2021，Small.
图 11. 金属磷化物/碳化物/硼化物/Mxenes/金属有机骨架:(A) CoP。Copyright 2019, J Am Chem Soc.(B) MgB2. Copyright 2017, Joule. (C) TiC。Copyright 2019，Agnew Chem. (D) MXenes. Copyright 2018, J Phys Chem C. (E) MOF。Copyright 2020， Adv Mater.图 12. 边缘位暴露:(A) MoS2中边缘位与阶地位具有较高的电化学选择性。Copyright 2014. Nano Lett. (B) XS2 (X = W, Mo)的优先催化位点探索。2017年版权。Copyright 2017, J Am Chem Soc.
图 13. 缺陷工程:(A)磷化钴中磷空位。Copyright 2022, Adv Energy Mater. (B)氧化钽中的氧空位。Copyright 2022, Matter.图 14. 掺杂剂工程:(A)氮掺杂CoSe2。Copyright 2020, ACS Energy Lett.(B)碘掺杂Bi2Se3。2022年版权。Copyright 2022, Adv Func Mater.图 15. 异质结构工程奖励两个方面:(A)通过引入其他组分增强催化效果，例如，MoN-VN, Copyright 2018, Angnew Chem Int Ed.(B)通过异质结构工程提高吸附能力和电转换率。Copyright 2021, ACS Nano.
图 16. 相位工程:(A)具有暴露的(001)面的TiO2。Copyright 2019. J Mater Chem A;(B)外露(001)刻面的TiN。Copyright 2021, Small.
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作者简介
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郑子剑，香港理工大学纺织与服装研究所教授。2003年获清华大学化学工程学士学位，2007年获剑桥大学化学博士学位，2008-2009年获西北大学博士后。他的研究兴趣包括表面和聚合物科学、纳米制造、柔性和可穿戴材料、设备和能源。
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