鋰硫（Li-S）電池因高理論比容量、能量密度以及低成本等優(yōu)勢而備受關注。但充放電過程中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解引起穿梭效應，嚴重限制了其實際應用。為緩解該問題，目前主要通過添加各種碳材料及金屬化合物來吸附多硫化鋰。然而，在實際應用中，不同金屬化合物在提升Li-S電池性能方面表現(xiàn)出巨大差異。如何從微觀層面揭示Li-S電池性能提升的宏觀現(xiàn)象背后的本質(zhì)原因以及存在的科學規(guī)律，成為該領域極具挑戰(zhàn)性的工作。

    中國科學技術大學錢逸泰院士團隊和王功名教授課題組通過實驗和理論結合的方式，研究了金屬鈷基化合物（Co3O4, CoS2, Co4N以及CoP）在Li-S化學中的動力學行為，發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價電子的p能帶中心相對費米能級的位置是影響Li-S電池界面電子轉(zhuǎn)移反應動力學性質(zhì)的主要因素。近日，該研究成果以《Deciphering the Modulation Essence of pBands in Co-based Compounds on Li-S Chemistry》為題，發(fā)表在Cell Press旗下的國際頂級能源材料期刊Joule雜志上。該論文第一作者是博士后周建斌，副研究員劉曉靜和碩士研究生祝琳嵚。     通過對rGO/Co-anions在Li2S6→Li2S的轉(zhuǎn)化動力學性能的研究，發(fā)現(xiàn)制備的金屬鈷基化合物表現(xiàn)出完全不同的電化學動力學行為，其中rGO/CoP對多硫化合物轉(zhuǎn)化的能壘最低，而且反應電流最大。隨后，將rGO/Co-anions作為硫的載體，研究了一系列S@rGO/Co-anion復合材料在Li-S電池中的電化學性能。發(fā)現(xiàn)S@rGO/CoP正極材料的極化現(xiàn)象最小，而且倍率性能也最好的，甚至在40.0 C的條件下，容量仍有417.3 mA h g-1，對應的是當前最高的功率密度137.3 kW kg-1。

    DFT模擬結果表明，相比于Co3O4, CoS2和Co4N，CoP對Li2S6以及Li2S的吸附能相對適中。同時電荷差分密度分析表明，吸附能與材料表面電荷的局域程度有很大的相關性；結合其電化學行為，發(fā)現(xiàn)過強或過弱的吸附能都不利于多硫化合物電化學轉(zhuǎn)化的動力學性能，這與催化反應中的Sabatier理論一致；通過嘗試關聯(lián)不同鈷基化合物的陰離子價帶的p能帶中心位置與多硫化合物電化學轉(zhuǎn)化的動力學性能，發(fā)現(xiàn)改變陰離子價電子的p能帶中心相對費米能級的位置，能夠有效調(diào)控界面電子轉(zhuǎn)移反應動力學，從而成為影響Li-S化學動力學性能的主要因素。

    該項研究得到國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金等項目的資助。