單原子催化劑（SAC）可有效緩解鋰硫（Li-S）電池中多硫化鋰（LiPS）的穿梭效應(yīng)和緩慢的氧化還原動力學(xué)，但由于多硫化鋰的多步轉(zhuǎn)化需要多功能活性位點進(jìn)行串聯(lián)催化，因此其理想性能尚未實現(xiàn)。

在此，北京化工大學(xué)劉文團(tuán)隊開發(fā)了雙殼納米籠（DSNCs），將分離的、可調(diào)的單原子位點作為納米反應(yīng)器，觸發(fā)串聯(lián)催化，促進(jìn)鋰離子電池的高效電化學(xué)轉(zhuǎn)換進(jìn)而實現(xiàn)高容量和耐用的鋰離子電池。內(nèi)含 Co-N₄ 位點和外含 Zn-N₄ 位點的 DSNC（S/CoNC@ZnNC DSNC）在 1 C 條件下表現(xiàn)出 1186 mAh g^-1 的高比容量，并且在 500 次循環(huán)過程中，每次循環(huán)的容量衰減率僅為 0.063%。

即使在高硫負(fù)載（4.2 mg cm^-2）和低 E/S 比（6 μL mg^-1）的情況下，電池也能顯示出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，Li-S 軟包電池還能穩(wěn)定循環(huán)超過 160次。

圖1. 電池性能

總之，該工作將分離的、可調(diào)的單原子位點作為作為納米反應(yīng)器促進(jìn)鋰離子電池的串聯(lián)反應(yīng)，從而產(chǎn)生了高比容量（1 C 時為 1186 mAh g^-1）、優(yōu)異的倍率性能（4 C 時為 766 mAh g^-1），以及 1000 次循環(huán)后 73% 的容量保持率（每次循環(huán)的容量衰減率為 0.025%）。

實驗和 DFT 模擬證明，Co-N₄ 和 Zn-N₄ 位點可分別選擇性地催化長鏈 LiPSs和短鏈 LiPSs的轉(zhuǎn)化，使轉(zhuǎn)化過程中的兩個連續(xù)反應(yīng)主要在空間催化性能更好的位點上進(jìn)行，從而實現(xiàn)了高效的串聯(lián)催化。因此，該項工作推進(jìn)了復(fù)雜形態(tài)單原子催化劑的可控合成，為未來設(shè)計多步催化體系提供新的見解和啟發(fā)。

圖2. 機(jī)理探究

Tandem Catalysis Inside Double–shelled Nanocages with Separated and Tunable Atomic Catalyst Sites for High Performance Lithium–sulfur Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202310547