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新聞網(wǎng)訊 近日，物理科學(xué)學(xué)院劉相紅教授團(tuán)隊(duì)在自然指數(shù)期刊Applied Physics Letters發(fā)表題為“Catalytic NiO/Ni/N-Doped Carbon Nanoreactors for Suppressing Polysulfide Shuttle:In-situRaman Spectroscopic Validation”的研究論文。該研究成果被編委會(huì)推薦為Featured Article，并被美國(guó)物理學(xué)聯(lián)合會(huì)《科學(xué)之光》（Scilight）專(zhuān)訪(fǎng)報(bào)道。

Scilight創(chuàng)辦于2017年6月，是美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版社（AIP publishing）出版的網(wǎng)絡(luò)周刊，致力于挑選AIP發(fā)表的物理領(lǐng)域最新的、最具有代表性的文章，簡(jiǎn)要總結(jié)其研究成果，并強(qiáng)調(diào)其在該領(lǐng)域的創(chuàng)新性和突破性。Scilight每年從AIP旗下30多個(gè)刊物中僅挑選300余篇物理領(lǐng)域內(nèi)最值得關(guān)注的研究成果進(jìn)行報(bào)道。

鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)，多硫化物穿梭效應(yīng)和緩慢地氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是其中的關(guān)鍵。在鋰硫電池充放電過(guò)程中，硫正極會(huì)產(chǎn)生一系列可溶性的多硫化物（LiPSs）中間體。這些多硫化物會(huì)溶解于電解液中，并在正負(fù)極之間穿梭遷移。當(dāng)多硫化物擴(kuò)散到負(fù)極表面時(shí)，會(huì)與鋰金屬發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致活性物質(zhì)硫的損失、電池容量的快速衰減以及庫(kù)侖效率降低，嚴(yán)重限制了鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用。所以尋找高效的催化劑來(lái)抑制多硫化物穿梭并加速多硫化物的轉(zhuǎn)化，成為了當(dāng)前鋰硫電池領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

為解決這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)聚焦于新型催化材料在抑制多硫化物穿梭效應(yīng)方面的應(yīng)用，旨在為鋰硫電池性能的提升提供新的解決方案。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)犧牲模板策略合成了表面錨定NiO/Ni納米顆粒的氮摻雜碳空心納米球（NiO/Ni-NCHN）。氮摻雜碳層和空心球結(jié)構(gòu)不僅促進(jìn)電子、Li⁺運(yùn)輸和擴(kuò)散，為硫負(fù)載提供足夠的空間，而且促進(jìn)對(duì)LiPSs的物理吸附。NiO/Ni納米顆粒為高效錨定可溶性L(fǎng)iPSs提供豐富化學(xué)吸附位點(diǎn)，作為催化劑提高Li₂S在充放電過(guò)程中的分解和形成。其次，在NiO/Ni異質(zhì)界面處形成的內(nèi)置電場(chǎng)，促進(jìn)充放電過(guò)程中界面處正電荷和電子的傳輸，提高硫的氧化還原動(dòng)力學(xué)。

通過(guò)電化學(xué)性能測(cè)試看出，NiO/Ni-NCHN/S電極表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在1.0 C下初始放電容量為792 mAh g^-1，經(jīng)過(guò)500次循環(huán)后仍能保持438 mAh g^-1放電比容量，其容量保持率為55.3%，即每次循環(huán)具有低容量衰減率僅為0.089%。另外，通過(guò)在電池運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行原位拉曼光譜測(cè)試分析，揭示了NiO/Ni-NCHN高效促進(jìn)多硫化物轉(zhuǎn)化的過(guò)程，并在一定程度上減輕穿梭效應(yīng)，提高了活性物質(zhì)硫的利用率。

后續(xù)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入研究高性能鋰硫電池，希望能夠?qū)﹂_(kāi)發(fā)具有更長(zhǎng)使用壽命和更高穩(wěn)定性的電池提供參考，從而能夠加速這一極具前景的技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和山東省泰山學(xué)者計(jì)劃的資助。