當(dāng)前全固態(tài)Na-S電池實際應(yīng)用受到高操作溫度和低硫利用的限制。不可控的硫形態(tài)形成途徑以及緩慢的多硫化物氧化還原動力學(xué)進(jìn)一步影響了Na-S化學(xué)的理論潛力。
在此，安徽大學(xué)鹿可團(tuán)隊制備了一種硫基質(zhì)-空心納米管，其碳骨架中嵌入了二元原子分散的MnN4和CoN4催化位點。基于此，作者開發(fā)了一種先進(jìn)的低溫(80℃)Na3Zr2Si2PO12陶瓷膜結(jié)構(gòu)全固態(tài)Na-S電池，其能夠通過限制雙向串聯(lián)電催化效應(yīng)來調(diào)節(jié)多硫化物電化學(xué)。
在該電池系統(tǒng)中，催化基質(zhì)促進(jìn)了限制串聯(lián)電催化效應(yīng)，使厚硫正極(1.5 g cm-3)具有高可逆放電容量和長期循環(huán)穩(wěn)定性。二元原子分散位點的引入不僅同時促進(jìn)了長鏈和短鏈NaPSs的化學(xué)吸附，還對多硫化物轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性。放電時，CoN4位點激活硫，提供了真正的催化作用，催化長鏈多硫化物還原為短鏈多硫化物，而MnN4中心有利于Na2S4直接轉(zhuǎn)化為Na2S，這使得電池放電過程中電活性Na2S均勻沉積，避免了不可逆產(chǎn)物(如Na2S2)的形成。
兩個催化中心的內(nèi)在協(xié)同作用有利于Na2S的分解，實現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的硫形態(tài)形成途徑，并在電池充電過程中使其激活勢壘最小化，從而有效地減輕正極鈍化。
總之，該工作提出了一種硫基質(zhì)-空心納米管，其碳骨架中嵌入了二元原子分散的MnN4和CoN4催化位點，可以實現(xiàn)先進(jìn)的全固態(tài)Na-S電池。具體而言，兩個原子催化位點的協(xié)同作用使電池充電時Na2S易于活化，實現(xiàn)雙向串聯(lián)電催化硫轉(zhuǎn)化。此外，NZSP活性填料和PEO-NaFSI的引入提供了內(nèi)在相互連接的離子傳導(dǎo)通道。
因此，穩(wěn)定的S/MnCo-NC正極具有高可逆容量，并表現(xiàn)出優(yōu)異的能量效率，其中包括高能量密度(1008 Wh kg-1)，在80℃下進(jìn)行100次循環(huán)測試后，平均CE高達(dá)98.5%。因此。串聯(lián)電催化促進(jìn)了可調(diào)硫轉(zhuǎn)化途徑，不僅促進(jìn)了電活性放電產(chǎn)物的沉積，而且最大限度地減少了Na2S分解，為低溫全固態(tài)金屬硫電池開辟了新的方向。
Binary Atomic Sites Enable a Confined Bidirectional Tandem Electrocatalytic Sulfur Conversion for Low-Temperature All-Solid-State Na-S Batteries,?Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.2023177
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