分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
高能量密度是未来电池的重要发展方向。锂硫电池因具有高理论能量密度而备受关注，然而
硫的
固-液-固转化缓慢，特别是充电过程中硫化锂（Li
2
S）氧化需要克服巨大的反应势垒，导致Li
2
S转化不完全和电极钝化，电池能量密度与循环性能较商业化要求仍有明显差距。近年来，引入催化作用已经成为促进正极反应动力学，提高硫利用率的有效策略，
但是固相催化剂与固相Li
2
S间接触有限、作用力差，严重制约了硫的高效可逆转化，在高硫载量和贫电解液等实用工况条件下上述问题更加严重。
针对这一问题，清华大学深圳国际研究生院
吕伟
副教授与天津大学
杨全红
教授团队合作提出了一种电化学分子印迹策略，
在催化剂中“量身定制”Li
2
S分子印迹缺陷，促进了Li
2
S固相解离，提升固-固催化反应效率，保证了贫电解液和高硫载量下硫物种的高效可逆利用，为构建能量密度500 Wh/kg以上的高比能锂硫电池提供了解决方案。相关成果发表于《国家科学评论》（
National Science Review
, NSR）。
研究团队巧妙利用锂化后的金属硫化物（MS）脱锂不完全的特性，发展了适用于锂硫电池的电化学分子印迹技术。如下图所示，在MS中通过锂化/脱锂化过程预嵌入Li
2
S，并利用醇洗法去除Li
2
S，从而在MS中构建Li
2
S印迹缺陷。结构表征显示，由于硫的去除，催化剂中形成了硫的空位。
这种特殊的缺陷使催化剂可以选择性地与Li
2
S强结合。
基于金属硫化物的电化学分子印迹原理示意图
研究团队还通过对不同MSs的测试，证明了该方法的普适性，且催化剂性能与硫空位含量成线性关系，表明MSs中为Li
2
S定制的缺陷结构可以显著促进其转化。
结构表征和材料筛选
通过H
2
热还原得到了具有普通硫空位的H
2
-Ni
3
S
2
催化剂，以验证分子印迹催化剂对Li
2
S的特异性。首先，借助石英微晶天平（QCM）证明了MI-Ni
3
S
2
对Li
2
S的靶向吸附作用；Li
2
S激活电位实验也证明了MI-Ni
3
S
2
对Li
2
S氧化过程的高效催化转化作用。进一步，通过第一性原理计算（DFT）阐明了其微观机制：
分子印迹定制的缺陷能够改变催化剂表面的电荷分布，激活催化剂更多的活性S位点与Li
2
S中的Li原子结合，进一步拉长Li-S键，
从而降低了充电过程中的能垒，最终加速了Li
2
S的分解。
MI-Ni
3
S
2
对Li
2
S的作用和催化机制
研究团队通过Li
2
S沉积/溶解实验和原位XRD测试，证明了MI-Ni
3
S
2
对Li
2
S的转化有双向催化转化作用
。此外，结合先前的材料表征可知，分子印迹缺陷表现为体相空位，从而保证了其在电池循环中的稳定性，极大的提升电池的长循环寿命。
MI-Ni
3
S
2
在充放电过程中的双向催化作用
电池性能方面，在接近实际工况的贫电解液和高硫负载的条件下，引入MI-Ni
3
S
2
的锂硫电池具有10.95
mAh/cm
2
的初始面容量，并且稳定循环超过100圈。组装的Ah级锂硫软包电池能量密度超过300 Wh/kg也能够稳定循环。此外，在极低的电解液条件下（E/S=1.8 μL/mg
S
），
研究团队成功借助该催化剂构建了能量密度502 Wh/kg的电池，性能超过了目前报道的大多数工作。
引入MI-Ni
3
S
2
的锂硫电池性能
研究者针对锂硫电池中Li
2
S转化限速步骤，发展了电化学分子印迹方法，通过在金属硫化物催化剂中构造Li
2
S分子印迹缺陷，诱导催化剂活性位点与Li
2
S的强结合，实现了对Li
2
S的特异性吸附和高效催化。该工作为
靶向促进Li
2
S形成和分解的催化剂设计提供了新思路，也为构建高比能锂硫电池提供了解决方案。
