不理想的穿梭行為、緩慢的液固轉(zhuǎn)化氧化還原動(dòng)力學(xué)以及硫化鋰分解的巨大能量障礙一直是阻礙鋰硫電池實(shí)際應(yīng)用的公認(rèn)問(wèn)題。

圖1 集成電催化劑設(shè)計(jì)

華東理工大學(xué)凌立成、王際童、張亞運(yùn)等受生物酶固氮/固硫過(guò)程中Fe/V中心催化活性的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種集成電催化劑，該催化劑由N橋接的Fe-V雙原子活性位點(diǎn)（Fe/V-N₇）組成，分散在巧妙的”3D in 2D”碳納米片（簡(jiǎn)稱(chēng)DAC）上，其中釩誘導(dǎo)層狀結(jié)構(gòu)并同時(shí)調(diào)節(jié)活性中心的配位構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了鐵中心3d軌道電子的重新分配。

研究顯示，F(xiàn)e/V 3d電子和S 2p電子之間的高度耦合/結(jié)合顯示出DAC-Li₂S_n（1≤n≤8）體系的強(qiáng)親和力和更強(qiáng)的反應(yīng)活性。

圖2 對(duì)多硫化物的吸附和催化

因此，DAC對(duì)多硫化物具有更強(qiáng)的化學(xué)吸附能力，并顯著提高了雙向硫氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，這些在理論和實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。

此外，DAC精心設(shè)計(jì)的”3D in 2D”形態(tài)可實(shí)現(xiàn)均勻的硫分布，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，并使大量活性位點(diǎn)暴露出來(lái)。因此，在高硫含量（70 wt %）條件下，組裝的Li-S電池具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性（1 C條件下循環(huán)1000次后為637.3 mAh g^-1）和高倍率性能（4 C條件下為711 mAh g^-1）。

圖3 鋰硫電池的電化學(xué)性能

Vanadium as Auxiliary for Fe–V Dual-Atom Electrocatalyst in Lithium–Sulfur Batteries: “3D in 2D” Morphology Inducer and Coordination Structure Regulator. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c05483