UCLA卢云峰课题组：探讨锂硫电池反应路径，设计双氧化还原介质加速电化学反应动力学

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▲共同第一作者：Fang Liu, Geng Sun


共同通讯作者：Yunfeng Lu, Philippe Sautet, Bruce S. Dunn, Ge Wang.
第一通讯单位：加州大学洛杉矶分校
论文DOI：https://doi-org.stanford.idm.oclc.org/10.1038/s41467-020-19070-8

随着便携的电子设备及电动汽车的快速发展，人们对高能量密度的电池需求越来越大。在传统锂离子电池之外，硫被认为是最有前途的电极候选材料之一，因为它具有高理论能量密度、环保和低成本的特性。然而，锂-硫电池电化学反应中涉及多种中间产物，其相互转化的机理极其复杂，现有实验和理论模拟方法都难以解释电化学反应路径和机理的所有细节。而且，这些多硫化物的电化学反应动力学十分缓慢，这直接导致了电池的输出功率和能量密度的降低。

近日，加州大学洛杉矶分校卢云峰教授团队系统地研究了各种硫中间体的电子和几何结构，并比较了其绝对轨道能量来揭示它们在电池中的反应活性，以及推测导致缓慢反应的结构来源。作者指出，在高溶剂化水平的情况下(x=6)、Li2Sn种类以链状结构出现；在低溶剂化水平下，锂离子可以与中间的硫原子结合以实现它们优选的高配位数，形成环结构。同时，Li2S6溶液的磁矩与LiS4和LiS3自由基之间的关系非常接近，表明与它们的溶剂化状态无关，说明了表明了溶液中自由基的存在以及从Li2S6与LiS4和LiS3之间的放能分解。

▲图1. 硫化物中间体的电子和几何结构。图片来源：Nat. Comm.

通过解耦加速充放电过程的矛盾要求，他们选择了两种赝电容氧化物作为电子离子源和漏极，分别实现了电子/Li+与硫中间体之间的高效反应。实验证实掺入双氧化物后，硫电极的电化学动力学显著加快。这种策略将快速电化学反应与自发化学反应相结合，绕过缓慢电化学反应途径的限制，提供了加速电化学反应的解决方案，为高能电池系统的发展提供了新的视角。

▲图2. 硫化物中间体和双氧化物之间电子转移过程分析及电化学表征。图片来源：Nat. Comm.

通讯作者介绍


卢云峰 (Yunfeng Lu)，加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系教授。博士就读于新墨西哥大学化学工程专业，师从C. Jeffrey Brinker。在2005 年同时获得总统科学家和工程师早期职业奖(Presidential Early Career Awards for Scientists and Engineers )；美国能源部早期职业科学家和工程师奖 (Early Career Scientist and Engineer Awards, Department of Energy)；美国化学会联合利华奖 (Unilever Award, American Chemical Society, Division of Colloid and Surface Chemistry)。研究方向：能源存储及转化; 药物递送及纳米医学。
https://samueli.ucla.edu/people/yunfeng-lu/

Philippe Sautet， 加州大学洛杉矶分校化学系及化学与生物分子工程系教授。1989年在法国的巴黎奥赛大学(Paris-Orsay University) 获得博士学位，并在里昂大学(Lyon 1 University)任教和研究。他曾经担任法国国家科研中心(CNRS)主任，里昂化学研究所所长，里昂高等师范学校 (ENS) 研究小组特别主任等。2010年当选法国科学院院士，2011年获得法国骑士勋章，法国化学会皮埃尔·苏 (Pierre Sue) 大奖和CNRS银牌。研究方向： 理论表面化学以及非均相和电催化领域。
https://www.chemistry.ucla.edu/node/3134

第一作者介绍


刘芳(Fang Liu)，2012年本科毕业于吉林大学化学学院高分子工程专业，2018年博士毕业于加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系，博士期间多次获得奖学金(Graduate Division Fellowship, ARCO Fellowship, Dissertation Year Fellowship)。2019至今在斯坦福大学材料科学与工程系从事博士后研究。研究方向：纳米材料，能源存储、转化及回收。 
  
孙耿(Geng Sun), 2011，2016年在北京大学化学与分子工程学院分别获得化学学士、物理化学博士学位。目前在加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系从事博士后研究。研究方向：氧化物和金属团簇催化的第一性原理模拟和设计。
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