能源存储革命：用于稳定锂硫电池的金属纳米团簇

金属纳米团簇/石墨烯纳米片复合材料电池隔膜解决了锂硫电池面临的关键挑战，为其商业化打开了大门

对高效能源存储系统的需求不断增加，特别是由于最近间歇性可再生能源的出现和电动汽车的采用。在这方面，锂硫电池（LSB）的存储能量是传统锂离子电池的三到五倍，成为一种有前途的解决方案。

LSB 使用锂作为阳极，硫作为阴极，但这种组合带来了挑战。一个重要的问题是“穿梭效应”，即循环过程中形成的中间多硫化锂 (LiPS) 物质在阳极和阴极之间迁移，导致容量衰减、生命周期低和倍率性能差。其他问题包括锂离子吸收过程中硫阴极的膨胀以及电池运行过程中绝缘锂硫物质和锂枝晶的形成。虽然已采用各种策略（例如阴极复合材料、电解质添加剂和固态电解质）来应对这些挑战，但它们涉及限制 LSB 进一步发展的权衡和考虑。

最近，原子级精确的金属纳米团簇（尺寸为 1-3 纳米的金属原子聚集体）由于其高可设计性以及独特的几何和电子结构，在包括 LSB 在内的材料研究中受到了广泛关注。然而，虽然已经提出了金属纳米团簇的许多合适的应用，但仍然没有其实际应用的例子。现在，在2023 年8月25日发表在《Small》杂志上的一项最新合作研究中，由东京理科大学 (TUS) 根岸雄一 (Yuichi Negishi) 教授领导的一个来自日本和中国的研究小组，利用了表面结合特性和氧化还原活性铂 (Pt) 掺杂的金 (Au) 纳米团簇，Au₂₄Pt(PET)₁₈（PET：苯乙硫醇，SCH₂CH₂Ph），作为LSB中的高效电催化剂。该研究由启迪科技大学助理教授Saikat Das与中国兰州大学何德彦教授和刘德全副教授共同撰写。

研究人员制备了具有大比表面积、高孔隙率和导电网络的Au₂₄Pt(PET)₁₈和石墨烯(G)纳米片的复合材料，用它们开发了一种电池隔膜，可加速LSB中的电化学动力学。“使用基于Au₂₄Pt(PET)₁₈@G的隔膜组装的LSB可以阻止LiPS的穿梭，抑制锂枝晶的形成，并提高硫的利用率，表现出优异的容量和循环稳定性，”Negishi 教授强调道。该电池在0.2Ag^-1的第一次循环中表现出1535.4mAhg^-1的高可逆比容量，并且在5Ag^-1时表现出887mAhg^-1的优异倍率性能。另外，在5Ag^-1下1000次循环后保留的容量为558.5mAhg^-1。

这些结果凸显了在LSB中使用金属纳米团簇的优势。它们包括提高能量密度、更长的循环寿命、增强的安全特性以及减少LSB对环境的影响，使其更加环保，并且与其他储能技术相比更具竞争力。

“具有金属纳米团簇的LSB可能会在电动汽车、便携式电子产品、可再生能源存储以及其他需要先进能源存储解决方案的行业中得到应用。此外，这项研究预计将为具有更多新颖功能的全固态LSB铺平道路。”Negishi教授强调道。在不久的将来，所提出的技术可以带来具有成本效益和更持久的能量存储设备。这将有助于减少碳排放并支持可再生能源的采用，从而促进可持续发展。

让我们希望这项工作也能促进金属纳米团簇在其他可持续能源存储系统中的应用！

参考

DOI：https://doi.org/10.1002/smll.202304210

资金信息

这项研究得到了国家自然科学基金（批准号：11674138、11504147）和甘肃省科技计划（No. 22YF7GA009）、日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI（资助号22K19012和23H00289），创新领域“水生功能材料”科学研究（资助号22H04562），矢崎纪念科学技术基金会和小笠原科学与工程振兴基金会。