西南大学《Nature》子刊：巧妙地设计！助力高性能钠硫电池

编辑推荐：本文通过构建空心棱柱形硫化钴复合材料作为Na-S电池负极，巧妙地提高了材料的电极导电性、缓解体积膨胀的同时，很好地抑制了多硫化物的穿梭效应，证明空心极性的微观结构是极为优秀的硫宿主，为钠硫电池电极材料的设计提供了新的视角。

钠硫电池不仅反应原理与锂硫电池类似，具有高能量密度、无毒和循环性能好等优点，它的成本也更为低廉。但是钠硫电池的电极往往需要一个良好的硫宿主，以限制可溶性的多硫化物和提高反应动力学，此外该材料还需要能缓解循环过程中的体积膨胀问题。显然，钠硫电池想要进一步发展必须要完成电极材料的突破。

近日，西南大学的徐茂文教授及其团队设计出空心CoS₂复合材料，验证了空心极性材料对硫的良好动力学和对多硫化钠的限制作用。相关论文以题为“Metal chalcogenide hollow polar bipyramid prisms as efficient sulfurhosts for Na-S batteries”在 Nature Communications上发表。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19078-0

近二十年来，Na-S电池被大量学者证实具有更高的容量、更低的成本、更安全环保。但是Na-S电池距离实际应用还需要克服诸多问题，如多硫化钠的穿梭效应，钠枝晶的生长、正极硫的利用率过低等问题。尤其是正极材料，由于硫导电性较差，导致反应动力学缓慢；由于Na更大的原子半径，导致Na-S电池的体积膨胀效应较L-S电池更剧烈；具有和L-S电池相似的多步反应，中间相的多硫化钠会溶解于电解液中导致容量的逐渐衰减。这些都令钠硫电池体系不够成熟。

近年来人们借鉴L-S电池中的思路，通过设计特殊的炭材料结构如炭球、碳纳米管等以提高Na-S电池正极的导电性、缓解体积膨胀并提高硫的利用效率。但是炭材料这类非极性材料与极性的多硫化钠的相互作用力较弱，无法很好地限制多硫化钠的溶解穿梭。于是人们开始转而研究如TiO₂、MnO₂等极性材料，但这些材料往往导电性又较差，且固体的极性材料只能在表面捕获少量多硫化钠。可见Na-S电池正极的成分和微观结构还需进一步的设计研究。

本文作者针对这一问题，合成了具有独特双棱柱中空CoS₂/C复合材料（S@BPCS）。当作为钠硫电池正极时，得益于大量中空腔体对硫的限制作用，S@BPCS成为了极佳的硫宿主。通过原位XRD、第一性原理计算等多种表征手段，证实中空的极性材料对硫的限制截留作用，同时可以很好地限制多硫化钠的“穿梭效应”。电化学测试结果也同样表明，及时在高面载量的条件下，所制备的空心结构电极具有更好的循环稳定性和库伦效率。此外，还通过置换反应制备了相同结构的硒化钴和碲化钴，进一步证实了该结构对硫的改性作用和扩展性。

总的来说，本文作者选择极性的CoS₂材料与炭材料符合，设计了空心的双棱柱结构，在提高导电性和反应动力学的同时，极大地缓解了体积膨胀、限制多硫化钠的穿梭效应。该研究证实了极性中空材料对硫的良好储存限制作用，为Na-S的电极研究提供了一个新的思考方向。（文：Today）

图1 硫系化合物的合成和多硫化钠的扩散示意图。

    图2 样品的SEM、TEM分析表征结果。

  图3 S@BPCS的表征分析。

 图4 电化学表征结果。

 图5 S@BPCS充放电过程中结构转变分析。

图6 多硫化物的形成和吸附的机理说明。