研究背景
锂硫电池因其高能量密度（2600 Wh Kg-1）、硫资源丰富等优势，正逐渐成为未来储能技术的焦点。此外，锂硫电池电解液的常用溶剂DOL和DME的凝固点较低（分别为-95和-58℃）、醚类电解液离子电导率相对较高（>4 mS cm−1），有望实现出色的低温电化学性能。然而，锂硫电池的活性材料硫(S)电导率低、穿梭效应、以及放电产物固态Li2S的转化动力学缓慢等问题，限制了锂硫电池的常温和低温电化学性能。
图文导读
本工作通过一种新颖的毛细作用驱动的熔融扩散策略制备了ZnS@中空多孔碳微球（ZnS@HPCS）正极载硫材料，并应用于锂硫电池。ZnS@HPCS可以有效抑制穿梭效应、提高反应动力学，实现了锂硫电池常温和低温性能的显著提升。该研究工作以《Regulating Li2S Deposition and Accelerating Conversion Kinetics through Intracavity ZnS toward Low-Temperature Lithium−Sulfur Batteries》为题发表在Nano Letters上。文章第一作者为丁皓，哈工大宋波教授、陈中辉、以及河南大学孙自许是论文的通讯作者。文章要点如下：
（1）通过毛细作用驱动的熔融扩散策略实现了ZnS纳米颗粒在HPCS中空内腔中的成核生长，设计制备了壳层具有径向排列的多孔通道、中空内腔具有催化剂的ZnS@HPCS正极载硫材料。
（2）ZnS@HPCS的中空内腔和多孔碳壳可以为活性物质硫和放电产物Li2S提供储存空间和优异的导电性，实现了活性物质的高效利用。
（3）内腔ZnS催化剂可以有效吸附锚定多硫化物、促进Li2S在HPCS内腔中沉积、加速转化反应动力学，有效缓解表面沉积引起的电极表面钝化问题，提高正极的低温反应动力学。
以ZnS@HPCS-S正极组装的锂硫电池在1C电流密度下可以稳定循环500次，同时表现出出色的倍率性能；在5.2mg cm-2的高硫负载量下，其可逆容量可达852.9 mAh g-1；在-20和-40℃的低温下，仍然表现出良好的倍率性能和可逆容量。
图1. ZnS@HPCS载硫材料的制备示意图、以及成分结构分析。
图2. 锂硫电池电化学性能测试结果。
图3. ZnS@HPCS-S正极反应动力学、Li2S沉积行为分析、以及低温电化学性能测试结果。
图4. ZnS@HPCS-S正极抑制穿梭效应机制分析。
图5. ZnS@HPCS作用机制的理论计算验证分析。
小结
综上所述，本工作通过毛细作用驱动的熔融扩散策略成功合成了ZnS@HPCS正极载硫材料。ZnS@HPCS的内腔ZnS NPs可以吸附锚定多硫化物并诱导Li2S在HPCS内部沉积，而HPCS壳层增强了正极的导电性。通过内腔ZnS NPs和HPCS壳层的协同作用，ZnS@HPCS-S正极（相较于HPCS-S和ZnS/HPCS-S正极）在室温和低温下表现出更优的电化学性能。使用薄锂负极和ZnS@HPCS-S正极组装的软包电池表现出高可逆容量和良好的循环稳定性。此外，我们通过Li2S成核/沉积、原位拉曼和理论分析，揭示并证明了内腔ZnS催化剂促进Li2S沉积和转化的内在机制。这项工作可以为载硫材料的设计和应用提供借鉴，并可以扩展到其他金属-硫电池体系。
文章信息
Hao Ding, Zhonghui Chen,* Huiyu Li, Huadong Suo, Chaozhong Liu, Huanan Yu, Jingkun Yuan, Zixu Sun,* Yanyan Zhu,* and Bo Song*，Regulating Li2S Deposition and Accelerating Conversion Kinetics through Intracavity ZnS toward Low-Temperature Lithium−Sulfur Batteries, Nano Letters, 2024, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04427.
作者介绍
陈中辉，哈工大郑州研究院副研究员/硕士研究生导师，主要从事电化学储能材料与器件领域的研究，包括高能量密度碱金属-硫电池、钠离子电池电极材料、低温电池电极和电解质材料、聚合物固态电解质材料等。目前共发表SCI论文40余篇，其中以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano（2篇）、Nano Letters、Adv. Funct. Mater.（3篇）、Nano Energy（2篇）、Energy Storage Mater等学术期刊发表SCI论文26篇，其中中科院一区论文15篇，总引用1500余次；主持或完成了国家自然科学基金、企业横向研发课题、中国博士后科学基金等项目6项；担任eScience、Energy & Environmental Materials、Energy Lab等学术期刊青年编委。
孙自许，目前担任河南大学纳米科学与材料工程学院教授，硕士生导师。入选河南省百人计划。主要从事电化学储能材料与器件等方面的研究，集中在锂硫电池，包括液态、低温、全固态锂硫电池，以及部分电催化工作。具有扎实的相关领域的研究基础，并取得了较为突出的研究成果。迄今共发表SCI期刊论文67篇，其中以第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater.（2篇）、ACS Nano（3篇）、Nano Letters（1篇）、Adv. Funct. Mater.（7篇）、Coord. Chem. Rev.（4篇）、Energy Storage Mater.、Appl. Catal. B（2篇）和Carbon Energy（2篇）等国际学术期刊上发表SCI论文46篇。担任中科院一区期刊eScience,Carbon Energy, Advanced Powder Materials, Rare Metals, Energy Lab, Battery Energy,Exploration和Energy & Environmental Materials青年编委。
