（王凯熙/文图）近日，哈工大航天学院/郑州研究院先进光电技术研究院新能源半导体团队与河南大学相关团队合作，通过一种新颖的毛细作用驱动的熔融扩散策略制备了ZnS@中空多孔碳微球（ZnS@HPCS）正极载硫材料，并应用于锂硫电池。ZnS@HPCS可以有效抑制穿梭效应、提高反应动力学，实现了锂硫电池常温和低温性能的显著提升。该研究工作发表在国际著名期刊Nano Letters上（中科院一区、自然指数（Nature Index）期刊、影响因子9.6）。以下为该论文详细情况：
研究背景：
锂硫电池因其高能量密度（2600 Wh Kg-1）、硫资源丰富等优势，正逐渐成为未来储能技术的焦点。此外，锂硫电池电解液的常用溶剂DOL和DME的凝固点较低（分别为-95和-58℃）、醚类电解液离子电导率相对较高（>4 mS cm−1），有望实现出色的低温电化学性能。然而，锂硫电池的活性材料硫(S)电导率低、穿梭效应、以及放电产物固态Li2S的转化动力学缓慢等问题，限制了锂硫电池的常温和低温电化学性能。
内容简介：
本工作报道了一种锂硫电池正极载硫材料（ZnS@HPCS），有效抑制穿梭效应、提高反应动力学，实现了锂硫电池常温和低温性能的显著提升。研究工作要点如下：
（1）通过毛细作用驱动的熔融扩散策略实现了ZnS纳米颗粒在HPCS中空内腔中的成核生长，设计制备了壳层具有径向排列的多孔通道、中空内腔具有催化剂的ZnS@HPCS正极载硫材料。
（2）ZnS@HPCS的中空内腔和多孔碳壳可以为活性物质硫和放电产物Li2S提供储存空间和优异的导电性，实现了活性物质的高效利用。
（3）内腔ZnS催化剂可以有效吸附锚定多硫化物、促进Li2S在HPCS内腔中沉积、加速转化反应动力学，有效缓解表面沉积引起的电极表面钝化问题，提高正极的低温反应动力学。
（4）以ZnS@HPCS-S正极组装的锂硫电池在1C电流密度下可以稳定循环500次，同时表现出出色的倍率性能；在5.2 mg cm-2的高硫负载量下，其可逆容量可达852.9 mAh g-1；在-20和-40℃的低温下，仍然表现出良好的倍率性能和可逆容量。
图1. ZnS@HPCS载硫材料的制备示意图、以及成分结构分析。
图2.锂硫电池电化学性能测试结果。
图3.ZnS@HPCS-S正极反应动力学、Li2S沉积行为分析、以及低温电化学性能测试结果。
图4.ZnS@HPCS-S正极抑制穿梭效应机制分析。
图5.ZnS@HPCS作用机制的理论计算验证分析。
结论：
综上所述，本工作通过毛细作用驱动的熔融扩散策略成功合成了ZnS@HPCS正极载硫材料。ZnS@HPCS的内腔ZnS NPs可以吸附锚定多硫化物并诱导Li2S在HPCS内部沉积，而HPCS壳层增强了正极的导电性。通过内腔ZnS NPs和HPCS壳层的协同作用，ZnS@HPCS-S正极（相较于HPCS-S和ZnS/HPCS-S正极）在室温和低温下表现出更优的电化学性能。使用薄锂负极和ZnS@HPCS-S正极组装的软包电池表现出高可逆容量和良好的循环稳定性。此外，我们通过Li2S成核/沉积、原位拉曼和理论分析，揭示并证明了内腔ZnS催化剂促进Li2S沉积和转化的内在机制。这项工作可以为载硫材料的设计和应用提供借鉴，并可以扩展到其他金属-硫电池体系。
先进光电技术研究院陈中辉是论文的通讯作者，博士研究生刘超重、硕士研究生索华东为论文署名作者。
本项研究工作得到国家自然科学基金项目、哈工大郑州研究院科研启动经费项目、国际科技合作专项等项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c04427
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责任编辑：梅鹏飞
审核：张懿文、陈中辉
