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中南大學(xué)紀效波、侯紅帥教授在JACS上發(fā)表鈉硫電池新進展
來源：中南大學(xué) 2024-11-25
導(dǎo)讀：近日，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院紀效波、侯紅帥教授團隊在化學(xué)類頂級期刊《美國化學(xué)會志》(Journal of the American Chemical Society)發(fā)表了題為“鈉硫電池中MoS2高催化活性的來源：電化學(xué)重構(gòu)的Mo單原子(Origin of high catalytic activity of MoS2 in Na-S batteries: electrochemically reconstructed Mo single atoms)”的研究論文。中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院為唯一單位，侯紅帥教授為通訊作者，2022級博士生鐘雪為第一作者。
為了應(yīng)對氣候變化，全球正逐步向清潔能源轉(zhuǎn)型。風(fēng)能和太陽能等可再生能源的裝機量持續(xù)增長，但這些能源具有不穩(wěn)定、隨機性和間歇性的特點，對電網(wǎng)的頻率控制提出了更高的要求。儲能技術(shù)可以平衡電力系統(tǒng)的供需，特別是在可再生能源發(fā)電占比提高的情況下，儲能顯得尤為重要。鈉硫電池具有能量密度高、資源豐富、成本低等特點，被認為是很有競爭力的電化學(xué)儲能系統(tǒng)。當前商業(yè)化的是高溫鈉硫電池，電池需在300°C的工作溫度下，通過液態(tài)硫和金屬鈉之間的化學(xué)反應(yīng)來存儲和釋放能量，存在較大的安全隱患。在此背景下，室溫鈉硫電池展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿?，其在室溫條件下運行，不僅顯著降低了系統(tǒng)的成本，還規(guī)避了高溫操作帶來的安全風(fēng)險。高溫鈉硫電池放電終產(chǎn)物為Na2S3，理論能量密度約為760 Wh/kg，而室溫鈉硫電池放電產(chǎn)物為Na2S，具有更高的理論能量密度（1274 Wh/kg）。然而，由于室溫鈉硫電池在充放電循環(huán)中轉(zhuǎn)化動力學(xué)遲緩，導(dǎo)致正極產(chǎn)生的易溶性多硫化鈉（NaPSs）未能迅速轉(zhuǎn)化為不溶性Na2S，造成NaPSs溶于電解液后穿過隔膜與金屬鈉負極直接接觸，即“穿梭效應(yīng)”，引發(fā)不良反應(yīng)，導(dǎo)致硫正極不可逆損失，電池容量大幅衰減，限制了其實際應(yīng)用。引入合適的催化劑，加速NaPSs向Na2S的轉(zhuǎn)化是抑制“穿梭效應(yīng)”的常用策略。在本研究中，通過碳點組裝制備了多孔碳纖維，以其為載體構(gòu)建了碳纖維/硫/硫化鉬復(fù)合正極材料，發(fā)現(xiàn)了在深度充放電過程中硫化鉬（MoS2）催化劑會原位轉(zhuǎn)化形成痕量Mo單原子（MoSAC），進而自重構(gòu)形成高活性催化相（MoS2/MoSAC）。MoSAC 的形成調(diào)控了Mo d帶中心的電子結(jié)構(gòu)，不僅有效促進了 d-p 軌道雜化，還通過鍵合轉(zhuǎn)變加速了催化中間體的解吸，動態(tài)單原子協(xié)同催化機制增強了金屬活性位點與 NaPSs 之間的吸附響應(yīng)，加速了硫氧化還原反應(yīng)（SRR），顯著提升了室溫鈉硫電池電化學(xué)性能。本研究為室溫鈉硫電池中MoS2催化劑的反應(yīng)機制提供了新見解。據(jù)悉，該研究獲得了國家自然科學(xué)基金項目和中南大學(xué)研究生創(chuàng)新項目等基金的支持。
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