鋰硫（Li-S）電池因高理論比容量、能量密度以及低成本等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。但充放電過(guò)程中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解引起穿梭效應(yīng)，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。為緩解該問(wèn)題，目前主要通過(guò)添加各種碳材料及金屬化合物來(lái)吸附多硫化鋰。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，不同金屬化合物在提升Li-S電池性能方面表現(xiàn)出巨大差異。如何從微觀層面揭示Li-S電池性能提升的宏觀現(xiàn)象背后的本質(zhì)原因以及存在的科學(xué)規(guī)律，成為該領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的工作。

    中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢(qián)逸泰院士團(tuán)隊(duì)和王功名教授課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合的方式，研究了金屬鈷基化合物（Co3O4, CoS2, Co4N以及CoP）在Li-S化學(xué)中的動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價(jià)電子的p能帶中心相對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置是影響Li-S電池界面電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的主要因素。近日，該研究成果以《Deciphering the Modulation Essence of pBands in Co-based Compounds on Li-S Chemistry》為題，發(fā)表在Cell Press旗下的國(guó)際頂級(jí)能源材料期刊Joule雜志上。該論文第一作者是博士后周建斌，副研究員劉曉靜和碩士研究生祝琳嵚。     通過(guò)對(duì)rGO/Co-anions在Li2S6→Li2S的轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)制備的金屬鈷基化合物表現(xiàn)出完全不同的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)行為，其中rGO/CoP對(duì)多硫化合物轉(zhuǎn)化的能壘最低，而且反應(yīng)電流最大。隨后，將rGO/Co-anions作為硫的載體，研究了一系列S@rGO/Co-anion復(fù)合材料在Li-S電池中的電化學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)S@rGO/CoP正極材料的極化現(xiàn)象最小，而且倍率性能也最好的，甚至在40.0 C的條件下，容量仍有417.3 mA h g-1，對(duì)應(yīng)的是當(dāng)前最高的功率密度137.3 kW kg-1。

    DFT模擬結(jié)果表明，相比于Co3O4, CoS2和Co4N，CoP對(duì)Li2S6以及Li2S的吸附能相對(duì)適中。同時(shí)電荷差分密度分析表明，吸附能與材料表面電荷的局域程度有很大的相關(guān)性；結(jié)合其電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的吸附能都不利于多硫化合物電化學(xué)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)性能，這與催化反應(yīng)中的Sabatier理論一致；通過(guò)嘗試關(guān)聯(lián)不同鈷基化合物的陰離子價(jià)帶的p能帶中心位置與多硫化合物電化學(xué)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)改變陰離子價(jià)電子的p能帶中心相對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置，能夠有效調(diào)控界面電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從而成為影響Li-S化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能的主要因素。

    該項(xiàng)研究得到國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。