锂硫（Li-S）电池具有理论容量密度高、环境友好和成本低等优点，是后锂离子电池时代储能设备中最有发展前途的候选者之一。然而，硫和多硫化锂（LiPSs）的绝缘性会在电池运行过程中阻碍电子/离子转移，导致硫利用率低和多硫化锂转化缓慢。LiPSs缓慢的转化动力学和穿梭效应严重影响了Li-S电池的实际应用。近日，华中科技大学王得丽教授课题组采用热解吸附方法制备单原子镍负载的空心碳纳米片组装花（Ni-NC）催化多硫化物的转化。所制备的Ni-NC具有丰富的介孔结构和大的比表面积，有利于暴露单原子催化位点并促进离子/电子的快速转移。Ni-NC改性隔膜有效抑制了多硫化物穿梭效应，提升了对活性物质的双向催化能力。使用Ni-NC改性隔膜的锂硫电池在1.0 C倍率下初始放电容量达到1167 mAh g−1，经过700圈长循环后，容量保持在901 mAh g−1，每圈的容量衰减率低至0.033%。在6.17 mg cm−2的高硫载量下，也能实现5.17 mAh cm−2的大面积容量，并能稳定循环300圈。该文章发表在在知名期刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202305991）。空心碳结构由于其传质动力学快、扩散长度短、表面积大等的特性而广泛应用于锂硫电池。功能碳材料可以在物理上限制LiPSs。然而，由于普通碳材料的非极性性质和化学催化作用较差，穿梭效应还没有得到明显的抑制。与物理吸附相比，化学相互作用能更有效地抑制Li-S电池中LiPSs的扩散和强固定极性LiPSs。将普通碳与适当的极性催化中心结合，如金属硫化物、金属氧化物、金属氮化物、以及金属磷化物，以加速LiPSs的可逆转化，提高硫的利用率。但是这些具有低表面积的纳米颗粒导致电子/质量传输缓慢。由于具有适当的配位环境、最大的原子利用率以及原子与载体之间的强键合，单原子催化剂（SACs）比块状纳米颗粒催化剂表现出高得多的活性。然而，由于缺乏合理的支撑结构设计，这些研究往往存在活性位点利用率较差的问题。设计由中空微观结构组装的3D催化剂可以增加活性单原子位点的数量并改善高性能Li-S电池中的离子转移。本工作以沸石四唑酸盐框架为前驱体，构建了镍单原子负载由空心纳米片组装的碳花（Ni-NC）。Ni-NC显示出显著增强的电导率，缩短了离子扩散途径，并提供了丰富的可接近的LiPSs吸附和转化位点。此外，具有大比表面积的中空结构提供了巨大的活性界面，并增强了电解质的润湿性。因此，Ni-NC建立了一个高效的功能隔膜，加速了氧化还原动力学，并有效抑制了LiPSs的穿梭。由于Ni-NC具有这些特性，采用Ni-NC改性隔膜的Li−S电池在0.2 C下提供了高的初始容量（1489 mAh g−1），在4 C条件下表现出了出色的循环新能（452 mAh g−1）。
图1 Ni-NC的制备过程以及LiPSs在Ni-NC上的吸附/转化机制。（图片来源：AFM）
图2 a) ZTF和b) NC的扫描电子显微镜图像。Ni-NC的c,d) 扫描电子显微镜图像，e) TEM 图像，f) AFM 图像，g) HAADF-STEM 图像和对应的EDS图以及h) 球差校正的HAADF-STEM图像。（图片来源：AFM）
图3 Ni-NC及NC的a) XRD 图谱，b) N2吸附/脱附等温线，以及c) 孔径分布曲线。Ni-NC、Ni Pc、Ni箔和NiO的d) Ni K边XANES和 e) Ni K边FT-EXAFS。Ni-NC的f) R空间和 g) k空间中相应的EXAFS拟合曲线。h) Ni-NC、Ni Pc、Ni箔和NiO的k3加权EXAFS信号小波变换。（图片来源：AFM）
图4 a) 加入Ni-NC和NC后Li2S6溶液的紫外光谱（插图：Li2S6溶液的照片）。Li2S6和Ni-NC吸附Li2S6后b) S 2p和c) Li 1s的XPS谱。d) Ni-NC和NC对称电池在5 mV s-1下的CV曲线。由A、B、C计算出的e) 锂离子扩散系数。f) 0.2 C下的充放电曲线。g) Ni-NC和h) NC电池的Li2S形核实验。i) Ni-NC和NC电池的Li2S分解实验。（图片来源：AFM）
图5 a) 0.3 mV s-1时的CV曲线。b) 峰值电位和起始电位。c) 第一个氧化峰和相应的Tafel图。d) Ni-NC电池在扫描速率为0.1至0.5 mV s-1时的CV曲线。e) 根据CV曲线从A、B和C计算出的锂离子扩散系数。f) 0.2 C时的充放电曲线。g) 0.2 C条件下的ΔE值和 Q2/Q1值。h) 循环前和i) 在1 C下500次循环后的EIS阻抗谱。（图片来源：AFM）
图6 a) Ni-NC的吸附和催化效应示意图。b) 0.5 C条件下的长循环性能，c) 0.2 C、0.5 C、1 C、2 C和4 C下的倍率性能，以及d) 0.2 C、0.5 C、1 C、2 C和4 C下电池的充放电曲线。e) 1 C条件下的长循环性能和 f) 1 C条件下的充放电曲线 g) 2 C条件下的长循环性能。h) Li−S软包电池点亮LED的照片。i) 0.1 C高硫负载（2.30、3.14和6.17 mg cm-2）下的长循环性能和j) 充放电曲线。（图片来源：AFM）
图7 a) Li2S在Ni-NC和NC上的吸附结构，b) Li2S6在Ni-NC和NC 上的吸附结构。c) Ni-NC和NC的态密度以及d) Ni-NC和e) NC上通过DFT方法模拟的Li2S分解能垒。（图片来源：AFM）
该论文第一作者为华中科技大学硕士生王瑞，论文通讯作者为华中科技大学王得丽教授，该工作得到了国家自然科学基金的资助。
