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盡管鋰硫電池是有前途的下一代儲能系統(tǒng)，但其實際應(yīng)用受到鋰枝晶生長和多硫化鋰穿梭的限制，這些問題可通過使用單原子催化劑（SACs）來緩解。SACs具有最大的原子利用效率（~100%）和獨特的催化性能，從而有效地提高了電極材料在儲能裝置中的性能。

在此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授、華南理工大學(xué)劉軍教授等人研究了該領(lǐng)域的最新進展，包括對該機制的分析和討論到影響SACs活性的因素和制備策略等。SACs可以極大地加速緩慢的相轉(zhuǎn)移反應(yīng)并阻礙可溶性LiPS的穿梭及鋰枝晶的形成，以實現(xiàn)高CE和長期可循環(huán)性。具體來說，當(dāng)用作鋰金屬負極的主體材料時，具有許多孤立親鋰位點的SAC會降低成核過電位。

此外，SACs的內(nèi)在活性不僅促進了Li⁺擴散，還有助于S物種的轉(zhuǎn)化。SACs的柔性基底可以緩解Li負極和S正極在重復(fù)充放電過程中的體積變化，而SACs對LiPSs的優(yōu)異吸附能力有助于減少活性S材料的損失，提高S的利用率。此外，輕質(zhì)SAC在用作隔膜和夾層組件時還可以降低電池的整體質(zhì)量從而提高能量密度，SACs在其他金屬-S電池中的進一步開發(fā)也得到了擴展。

圖1. SACs在鋰硫電池中的功能作用及最新進展

最后，作者強調(diào)了SAC在鋰硫電池中使用的挑戰(zhàn)和未來的研究方向：

（1）由于其高表面能，穩(wěn)定和高負載的SAC仍然難以制備。因此，有必要建立通用、低成本的合成工藝以實現(xiàn)高負載量SACs并促進其商業(yè)化。

（2）需要開發(fā)新的輔助材料，各種雜原子的開發(fā)和配位結(jié)構(gòu)的富集可用于構(gòu)建高活性的SACs。

（3）開發(fā)更先進的原位表征方法和深入了解催化機制，將為制定有效的SAC優(yōu)化指南和Li-S電池的商業(yè)化鋪平道路。

（4）鋰硫電池未來的商業(yè)化應(yīng)考慮活性材料質(zhì)量和電解液/S比等關(guān)鍵因素。

圖2. SAC在鋰硫電池中的應(yīng)用目標和挑戰(zhàn)

Advances in the Development of Single-Atom Catalysts for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202200102

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余彥/劉軍AM綜述: 高能量密度鋰硫電池單原子催化劑的開發(fā)進展

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