近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队与有机—无机杂化材料研究组（506组）杨启华研究员团队合作，发展了一种单原子锌修饰的中空碳球纳米反应器。该反应器可同时用作锂硫电池正极、负极的基体，有效地提高了对多硫化物的催化活性并抑制了锂负极枝晶的生长，应用该反应器的高比能锂硫全电池具有高载量、高倍率、长循环的性质。
锂硫电池具有较高理论能量密度（2600Wh/kg）和比容量（1675mAh/g），被认为是最具潜力的下一代高能量密度的电化学储能技术。但是由于正极多硫化物的穿梭效应、转化动力学缓慢、负极的锂枝晶生长等原因，导致锂硫电池的容量较低、安全性能不高、循环稳定性差，这严重限制了其商业化发展。因此，设计一种轻质量、高导电、高催化活性、优异亲锂位点、高机械强度的载体材料，能够同时抑制多硫化物穿梭和金属锂枝晶的锂硫全电池，是目前突破锂硫电池应用瓶颈的一种有效方法。
该工作针对锂硫电池存在的科学问题和关键技术瓶颈，充分结合了吴忠帅团队在高性能锂硫电池体系（Adv. Energy Mater.; J. Energy Chem.; ACS Nano; Nano Energy; ACS Nano; ACS Nano; Angew. Chem. Int. Ed.）和杨启华团队在高效纳米反应器催化体系（Angew. Chem. Int. Ed.; ACS Sustainable Chem. Eng.; ACS Catal.; ACS Catal.; Catal. Sci. Technol.; Chem. Commun.; J. Mater. Chem. A; Chem. Commun.）的研究，发展了原子尺度的单原子锌修饰的中空碳壳纳米反应器。该反应器具有较高的比表面积、多级的孔结构、良好的亲锂金属表面、优异的催化活性。将其同时应用于锂硫电池的正极和负极，有效地提升了正极对多硫化物的吸附催化转化能力，并显著地抑制负极的锂枝晶生长。此外，该电池在700圈长循环的条件下容量衰减率仅0.015%；在高电流密度的条件下，仍然具有989mAh/g的比容量。这种中空碳壳纳米反应器的设计策略，为基于转化反应的锂硫电池等高能密度能源器件的设计提供参考。
相关研究成果发表在《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）上。上述工作得到国家重点研发计划、中科院洁净能源创新研究院等项目的资助。（文/图 石浩东、任小敏）
