兰州理工大学材料与工程学院汤富领教授课题组通过第一性原理筛选过渡金属掺杂FeS₂的硫阴极主体材料，并确定了六项筛选标准。这项工作为锂硫电池中阴极主体材料的筛选提供新的策略和理论方法。

锂硫电池（LSBs）中严重的穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学是硫阴极面临的主要挑战，是导致LSBs的容量退化和倍率性能差的主要原因。

由于硫阴极在LSBs中的电子传导性较低，限制了电子转移率，增加了电化学反应的极化。Li⁺的锂化和脱锂路径取决于阴极的晶体结构。阴极结构稳定性差会降低Li⁺的传输效率，从而降低LSBs的倍率性能。硫阴极复杂的多相和多电子氧化还原反应导致缓慢的反应动力学，严重限制了LSBs的实际应用。因此，开发具有高倍率性能和长期可回收性的高性能LSBs阴极材料是一项挑战。

最近，过渡金属硫化物作为硫阴极主体材料，引起了广泛的关注。由于它们的弱共价金属-硫键，它们在动力学上更有利锂硫氧化还原化学反应，导致更好的可逆性和可回收性。硫铁矿(FeS₂)是过渡金属二硫化物的典型成员，具有环境友好、成本低廉、理论容量高及资源丰富的优点。但FeS₂固有的电子电导率低、离子扩散性差、体积变化明显，阻碍其在LSBs中的发展。我们针对这一问题利用第一排过渡金属对硫阴极主体材料FeS₂进行掺杂改性并对其物理化学性能进行了一些探究：通过掺杂工程来调控FeS₂的电子结构，进而提升FeS₂对多硫化物的吸附及催化性能。

通过第一性原理计算，系统研究了Fe_1-xM_xS₂（M = 过渡金属；x = 0、0.125和0.25）的形成能、电导率、功函数、电荷分布、化学吸附和催化性能。发现Ti/V掺杂的FeS₂不仅具有较低的晶格畸变和形成能，而且其电荷重新分布更有利于Li⁺的扩散。特别地，Ti/V掺杂的FeS₂具有优异的导电性和化学吸附性，并且对Li₂S沉积表现出较低的热力学势垒。此外，Li₂S分子更加倾向于在Fe_0.875Ti_0.125S₂(001)表面分解为LiS与Li⁺。

总的来说，硫阴极主体材料的电学及电化学性能可以通过掺杂来控制，并且可以通过电子结构和化学成分设计在一定范围内操纵和优化。这项工作为阴极主体材料的筛选提供了新的理论方法，同时为实验提供了理论指导，有望据此降低实验成本和研发周期。