锂硫电池中掺杂纳米碳锚定中间产物的原理

锂硫电池体系作为新兴的二次电池体系，具有能量密度高等方面的巨大优势。尽管如此，锂硫电池走向实际应用依然存在很多阻碍。这其中，多硫化物“穿梭效应”和正极活性物质损失是亟待解决的重要问题。在锂硫电池放电过程中，具有非极性表面的纳米碳材料作为锂硫电池正极，很难对极性多硫化物提供足够的表面结合力和限制作用，导致多硫化物的溶解，扩散到负极表面发生反应，造成活性物质损失和容量的衰减。设法提高正极骨架与含硫物质之间的界面结合作用是解决这一问题的有效途径。通过对正极材料进行适当的元素掺杂，有望改善碳材料表面结合力的作用，提高电池性能。

近日，清华大学化学工程系和中国科学院金属研究所合作，首次采用理论计算方法对锂硫电池正极掺杂碳材料进行系统筛选，并创新性的提出了此类材料的筛选原则。他们对包含氮、硼、氧、氟、磷、硫和氯在内的一系列掺杂体系进行了第一性原理计算研究，从理论角度为锂硫电池的理性设计理论指导。计算表明，采用氮或氧掺杂的纳米碳材料，可以显著提高多硫化物与碳材料的结合能。其结合能增强的原因，主要是由于该掺杂元素的引入，使得碳材料表面极化，产生偶极，与极性的多硫化物形成了偶极-偶极静电相互作用。

为了更直观的描述这一筛选原则，他们采用非解析的“火山型曲线”对计算结果加以诠释，来突出结合能与掺杂元素电负性之间的规律。在该设计原则的基础上，他们设计了一种新型的氮氧共掺杂结构用于锂硫电池正极，为进一步提高具有强耦合表面结合作用的新材料设计提供了方向性的指导。此外，该研究工作所阐述的机理，对锂空电池、锂离子电池以及超级电容器的开发也都有着重要的意义。

“火山型曲线”

相关研究工作发表在《Small》上，作者主要为清华大学侯廷政、陈翔等，通讯作者为清华大学张强与中科院金属所李波。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点基础研究发展计划、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的大力支持。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201600809/full

原文：Design Principles for Heteroatom-Doped Nanocarbon to Achieve Strong Anchoring of Polysulfides for Lithium–Sulfur Batteries

Small, 2016, 12, 3283-3291, DOI:10.1002/smll.201600809

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