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
Li
2
S
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。
图文导读
本工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
作以《
Regulating
Li
2
S Deposition and Accelerating Conversion Kinetics through
Intracavity ZnS toward Low-Temperature Lithium−Sulfur Batteries
》为题发表在
Nano
Letters
上。文章第一作者为丁皓，哈工大宋波教授、陈中辉、以及河南大学孙自许是论文的通讯作者。文章要点如下：
（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
Li
2
S
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
Li
2
S
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。
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、
Li
2
S
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。
小结
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
Li
2
S
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
Li
2
S
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
Li
2
S
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。
文章信息
Hao Ding, Zhonghui
Chen,* Huiyu Li, Huadong Suo, Chaozhong Liu, Huanan Yu, Jingkun Yuan, Zixu
Sun,* Yanyan Zhu,* and Bo Song*
，
Regulating Li
2
S Deposition
and Accelerating Conversion Kinetics through Intracavity ZnS toward
Low-Temperature Lithium−Sulfur Batteries, Nano Letters, 2024, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04427.
作者介绍
陈中辉，
哈工大郑州研究院副研究员
/
硕士研究生导师，主要从事电化学储能材料与器件领域的研究，包括高能量密度碱金属
-
硫电池、钠离子电池电极材料、低温电池电极和电解质材料、聚合物固态电解质材料等。目前共发表
SCI
论文
40
余篇，其中以第一作者或通讯作者在
Angew.
Chem. Int. Ed.
、
ACS
Nano
（
2
篇）、
Nano
Letters
、
Adv.
Funct. Mater.
（
3
篇）、
Nano
Energy
（
2
篇）、
Energy
Storage Mater
等学术期刊发表
SCI
论文
26
篇，其中中科院一区论文
