目前鋰硫電池可以實(shí)現(xiàn)高的能量密度，但是其功率密度仍然較低，限制了其在快速充放電場(chǎng)景中的應(yīng)用。在鋰硫電池的硫還原反應(yīng)（SRR）中，電催化劑的活性通常用火山圖表示，來描述特定的熱力學(xué)趨勢(shì)。但是，目前缺乏大電流密度下SRR動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)的描述方法，這限制了我們對(duì)SRR動(dòng)力學(xué)變化的理解，從而限制了開發(fā)高功率Li||S電池的可能性。

近日，澳大利亞阿德萊德大學(xué)的喬世璋院士團(tuán)隊(duì)以一系列石墨烯基過渡金屬催化劑為例（Fe、Co、Ni、Cu、Zn），依據(jù)勒夏特列原理首次提出了SRR反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)：SRR的動(dòng)力學(xué)隨著催化劑表面多硫化鋰濃度的增加而提升，動(dòng)力學(xué)電流（J）和多硫化鋰濃度（C）之間對(duì)數(shù)比值的一階導(dǎo)數(shù)（dlogJ / dlogC）與充放電速率（V）呈現(xiàn)線性關(guān)系。通過同步輻射X射線吸收光譜測(cè)量和分子軌道理論計(jì)算，研究證明了催化劑的反鍵軌道占據(jù)率決定了多硫化物的濃度。因此，可以通過調(diào)節(jié)軌道占據(jù)來改善各種金屬催化劑的SRR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。利用所建立的動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)，該工作設(shè)計(jì)了一種納米復(fù)合CoZn/碳催化劑，并將其用于鋰硫電池的正極中。相應(yīng)的鋰硫電池在高硫面負(fù)載量（5 mg cm^-2）、貧電解液（E/S = 4.8）、高電流密度（8.0 C）的條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，體現(xiàn)出超高的功率密度26120 W kg_S^-1，可以使得鋰硫電池在5分鐘之內(nèi)完成充放電。

在鋰硫電池的放電過程中，多硫化鋰的種類隨著放電電壓的變化而改變。當(dāng)不施加外部電流且不考慮自放電的影響時(shí)，這些產(chǎn)生的多硫化鋰處在化學(xué)平衡狀態(tài)。如果用勒夏特列原理理解這一現(xiàn)象，高的多硫化鋰濃度會(huì)產(chǎn)生化學(xué)平衡的正向移動(dòng)，加快多硫化鋰的還原反應(yīng)。如圖1所示，SRR中每一步的轉(zhuǎn)化效率都至關(guān)重要，決定了最終Li₂S的產(chǎn)量。因此，提升每一步多硫化鋰的濃度對(duì)SRR的提升會(huì)有促進(jìn)作用，其中Li₂S₄向Li₂S的液固轉(zhuǎn)化，是SRR過程中的速控步驟。

如圖2所示，研究者利用原位紫外光譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SRR反應(yīng)過程中多硫化鋰物種的濃度變化，進(jìn)而建立了SRR的動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，每一步多硫化鋰的轉(zhuǎn)化效率和動(dòng)力學(xué)電流隨著起始多硫化鋰物種濃度的增加而提升。因此，為實(shí)現(xiàn)SRR的快速動(dòng)力學(xué)，提升多硫化鋰的濃度至關(guān)重要。

圖3進(jìn)一步給出了SRR動(dòng)力學(xué)與多硫化鋰濃度之間的定量關(guān)系。通過CV測(cè)試關(guān)聯(lián)動(dòng)力學(xué)電流與多硫化鋰的濃度，研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)電流（J）和多硫化鋰濃度（C）之間的對(duì)數(shù)比值的一階導(dǎo)數(shù)（dlogJ / dlogC）與充放電速率（V）呈現(xiàn)線性關(guān)系。依據(jù)動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)預(yù)測(cè)的SRR放電容量與實(shí)際監(jiān)測(cè)的放電容量具有良好的對(duì)應(yīng)性。

圖4進(jìn)一步解釋了多硫化鋰濃度與催化劑分子軌道之間的關(guān)系。該研究工作通過同步輻射X射線吸收光譜測(cè)量和分子軌道理論計(jì)算，證明了催化劑電子軌道的e_g/t_2g決定了多硫化物的濃度。因此，可以通過調(diào)節(jié)軌道占據(jù)來改善各種金屬催化劑的SRR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。同步輻射X射線的實(shí)驗(yàn)表征和態(tài)密度的理論計(jì)算同時(shí)驗(yàn)證了催化劑電子軌道中e_g/t_2g的決定性作用。

如圖5所示，利用所建立的動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)，該工作設(shè)計(jì)了一種具有更高e_g/t_2g數(shù)值和更高多硫化鋰濃度的納米復(fù)合CoZn/碳催化劑。該雙金屬催化劑的SRR性能明顯優(yōu)于其它單金屬催化劑，具有更強(qiáng)的催化硫溶解和硫化鋰生成的能力，顯著提升了鋰硫電池的容量。

圖6給出了CoZn/碳催化劑用于鋰硫電池中的電化學(xué)性能。相應(yīng)的鋰硫電池在高硫面負(fù)載量（5 mg cm^-2）、貧電解液（E/S = 4.8）、高電流密度（8.0 C）的條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定循環(huán)，體現(xiàn)出超高的功率密度26120 W kg_S^-1，可以使得鋰硫電池在5分鐘內(nèi)完成充放電。此外，在高電流密度下，該電池的放電曲線能保持明顯的電壓平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)1000圈的穩(wěn)定循環(huán)。

該研究工作表明：對(duì)硫還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究對(duì)設(shè)計(jì)一系列納米復(fù)合催化劑至關(guān)重要。該工作所提出的納米催化劑可以明顯提升鋰硫電池的功率密度，有效解決了目前鋰硫電池功率密度較低的問題，為下一代高功率密度鋰硫電池的發(fā)展提供了指引。