近日，厦门大学物理学的许清池副教授、徐俊教授团队在锂硫电池正极材料研究中取得新进展。相关研究成果以《Strengthened d-p Orbital Hybridization on Metastable Cubic Mo2C for Highly Stable Lithium-Sulfur Batteries》为题发表在《ACS Nano》期刊上。
锂硫电池以其卓越的能量密度和成本效益，成为了新能源技术的焦点。尽管如此，其商业化应用过程中仍然面临着诸如硫的导电性差、循环稳定性不足以及“穿梭效应”等问题。因此，探索开发高效多功能催化剂是提升锂硫电池的电化学性能，并推动其在能源存储领域应用的有效方案。
亚稳态材料具有热力学不稳定的基态，相对较高的自由能使其与反应物有较强的电子耦合，从而具有较好的电化学催化性能。然而较为复杂和严苛的制备条件限制了亚稳态催化剂的应用，并且其在锂硫电池应用中的催化机制也缺乏充足的研究。
厦门大学物理学的许清池副教授、徐俊教授团队在这一领域取得了突破性进展。团队重点研究了亚稳态立方相Mo2C催化剂作为硫宿主正极对于电池性能提升的内在机制。亚稳态结构赋予了催化剂独特的电子特性，通过理论计算表明，亚稳态结构强化了催化剂中Mo原子和多硫化物中S原子之间的d-p轨道杂化作用。这不仅有利于增强其对多硫化物的吸附，也降低了硫物种在不同阶段的反应能垒，实现了不同种多硫化物中间体的快速转化。同时，通过对正极侧产生的“穿梭效应”的抑制，减少了负极侧锂金属和多硫化物之间的副反应，实现了对负极锂金属的保护，更有利于实现稳定的电化学性能。
这项研究对于理解亚稳态结构在锂硫电池电化学催化中的内在机制具有重要意义。通过异质原子掺杂的相变策略，引发Mo2C由热力学稳定的六方相向亚稳态立方相转变，并将应用在正极硫宿主，不仅强调了一种通过强化轨道杂化理论来设计高性能锂硫电池电催化剂的方法，也为亚稳态催化剂在其他储能领域的设计和开发提供了指导意义。
该工作在厦门大学物理系许清池副教授、徐俊教授和能源学院方晓亮教授的共同指导下完成，物理系博士生陈凯为论文的第一作者，物理系为该论文的第一单位，该工作得到了国家自然科学基金项目（22471226，22272142）、厦门大学校长基金（20720220031）和111引智计划（B16029）的资助。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c11701
