纳米科学：量子化学计算有助于为高Li-S电池筛选更好的阴极材料

然而，许多障碍阻碍了Li-S电池的实际应用。其中一个主要问题是多硫化物中间体从阴极扩散，导致活性物质不可逆转的损失和容量衰减。具有非极性表面作为阴极材料的纳米碳不能提供足够的结合和限制效应以维持阴极内的多硫化物。此外，由活性多硫化物和纳米碳之间的弱组合引起的不良电化学接触也阻碍了Li-S电池的快速和稳定循环。

“异源复合物掺杂被认为是吸附和固定多硫化物中间体的有希望的途径，”中国清华大学研究员张强教授说。“然而，由杂原子提供的锚定效应的起源仍然不明确，这在很大程度上限制了多硫化物吸附的改善和阴极材料的合理设计。”

最近，Q。Zhang教授和清华大学的同事以及金属研究所的B.Li教授报告了一系列掺杂纳米碳材料捕获多硫化物的能力的理论研究。它表明，通过形成“锂键”（“H键”的类似物），使用N或O掺杂剂的化学改性显着增强了碳主体和多硫化物客体之间的相互作用，从而有效地防止了多硫化物的穿梭。

“我们首次采用平行量子化学筛选工艺来选择最有效的掺杂元素，以帮助限制多硫化物。”第一作者婷正侯说。“结果表明纳米碳材料中的N和O掺杂可以形成强偶极-偶极静电相互作用，这首次被认为是掺杂纳米碳和多硫化锂之间的主要相互作用，而F，B，P，S和Cl掺杂剂不能形成它。“

其他研究人员报告的实验工作符合这一预测结果。例如，N掺杂的石墨烯纸电极在100次循环后表现出大约1000mAhg-1的高比容量，并且对于阴极电解质性Li-S电池具有98％的优异库仑效率。因此可以实现超过2000次循环的延长寿命和每循环0.028％的极低容量衰减率。

“为了实现对多硫化物的强耦合作用，我们根据我们的计算提出了一套合理设计Li-S电池中掺杂碳支架的规则，”侯说，“满足这些条件，掺杂碳可以提供选择孤对的强偶极子与多硫化物形成强烈的静电偶极-偶极相互作用并增强相互作用。关键因素是掺杂原子的电负性。

为了阐明电负性的重要性，羌族及其同事提出了一种隐含的火山图关系，它将掺杂原子的电负性与吸附能相关联，以揭示强锚定效应的形成。这种关系提供了对用于固定多硫化物的掺杂纳米碳材料的筛选和合理设计的新理解。

“如果我们从规则和火山图更进一步寻求突破超过单掺杂的最大限度，那么共掺杂的纳米材料中，两个或更多相互相邻的掺杂剂协同增强偶极矩并提供均匀的对多硫化物更好的亲和力。“强教授说。在不久的将来，他们将进一步研究共掺杂的协同效应，并探索进一步增强阴极界面界面相互作用的可能性。