鋰硫（Li-S）電池中可溶性多硫化鋰（LiPSs）的“穿梭效應(yīng)”會(huì)導(dǎo)致硫氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢和容量快速衰減，嚴(yán)重限制了鋰-硫電池的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

在此，福州大學(xué)張久俊，顏蔚，左銀澤等人采用具有多個(gè)催化中心的自恢復(fù)催化劑，通過ZnIn₂S₄-In₂O₃-ZnIn₂S₄三明治狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了S₈與Li₂S的串聯(lián)氧化還原反應(yīng)。其中，外層的ZnIn₂S₄納米片網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)先吸附S₈，中間的In₂O₃作為吸附介質(zhì)保證S₈吸附并轉(zhuǎn)化為長鏈Li₂S₆/Li₂S₄，內(nèi)層的ZnIn₂S₄可以進(jìn)一步催化長鏈Li₂S₄向短鏈Li₂S₂/Li₂S的轉(zhuǎn)化。

ZnIn₂S₄能夠更好地降低Li₂S溶解的能壘，并進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為元素硫（S₈）。在此過程中，In/O和In/Zn活性位點(diǎn)通過交替催化模式重新暴露，實(shí)現(xiàn)活性位點(diǎn)的自我恢復(fù)，從而增強(qiáng)長期催化活性。

圖1. 不同催化劑解決Li-S電池“LiPS”穿梭效應(yīng)的催化機(jī)制

總之，該項(xiàng)工作報(bào)道了一種涂覆在隔膜上的具有多個(gè)催化中心的ZnIn₂S₄@In₂O₃自恢復(fù)催化劑，該催化劑通過對鋰硫電池的級聯(lián)催化，通過自恢復(fù)效應(yīng)將硫氧化還原反應(yīng)分為不同的步驟。三明治狀的ZnIn₂S₄-In₂O₃-ZnIn₂S₄結(jié)構(gòu)的空間位阻和不同催化活性位點(diǎn)之間的相互作用有助于實(shí)現(xiàn)不同的吸附強(qiáng)度，誘導(dǎo)含硫物質(zhì)的交替催化能力和吸附以及活性位點(diǎn)的自我恢復(fù)。結(jié)果顯示，ZnIn₂S₄@In₂O₃基電池顯著增強(qiáng)了倍率容量、循環(huán)穩(wěn)定性和高面積容量。

特別地，鋰硫電池在1.0 C倍率下循環(huán)700次后仍保持429.5 mAh g^-1的高容量。即使是硫負(fù)載量高達(dá)8.0 mg cm^-2的電池，初始容量也高達(dá)1165.4 mAh g^-1。因此，該工作準(zhǔn)確揭示了鋰硫電池不同反應(yīng)階段具有自恢復(fù)活性位點(diǎn)的多個(gè)催化中心的反應(yīng)機(jī)理，并同時(shí)加速還原和氧化過程。該項(xiàng)工作制定的策略可以作為開發(fā)更高效、更實(shí)用的鋰硫電池的指南。

圖2.電池性能

Self-Recovery Catalysts of ZnIn2S4@In2O3 Heterostructures with Multiple Catalytic Centers for Cascade Catalysis in Lithium?sulfur Battery, Nano Energy 2023 DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.109078