研究背景

锂硫电池（LSBs）凭借其较高的理论质量比容量(1675 mAh g⁻¹)和能量密度(2600 Wh kg⁻¹)，被认为是最具潜力的下一代高能量密度电池体系。然而，可溶性多硫化锂(LiPSs)的低硫利用率和穿梭效应导致容量快速衰退，循环稳定性降低，从而严重阻碍了LSBs的商业化进程。研究发现，通过引入催化剂促进LiPSs的转化能够有效抑制穿梭效应。与传统催化材料相比，单原子材料凭借其高活性位点、良好的化学稳定性、可调节的电子环境和优异的可逆性，能够最大限度利用原子，而被众多学者广泛关注。目前，锂硫电池正极载硫体使用的碳基单原子材料主要以不同成分的单原子-氮配位环境为主，对具有新型配位环境、更高催化活性的碳基单原子材料的开发和利用亟待开展。

成果介绍

河北工大王志峰副教授&张永光教授&华南师范王新研究员&广西大学刘熙俊教授&滑铁卢大学陈忠伟教授成功合成了一种在碳纳米管上具有单分散Co-B₂N₂配位关系的新型SA-Co/BNC骨架作为硫宿主材料。实验和理论结果表明，Co-B₂N₂活性位点不仅对可溶性多硫化物有较强的化学吸附作用，还有利于可溶性多硫化物快速转化为不溶性终产物，从而抑制多硫化物穿梭效应。本工作揭示了一种具有新型配位环境的单原子催化剂的合成策略，为材料在催化和其他电化学存储中的应用提供了更多选择。该成果以“Single‐atomic Co‐B₂N₂ sites anchored on carbon nanotube arrays promote lithium polysulfide conversion in lithium–sulfur batteries”为题发表在Carbon Energy上。

研究亮点

1、理论计算发现新型配位环境的优势：与Co-N₄配位环境的钴单原子材料(SA-Co/NC)相比，Co-B₂N₂配位环境的新型单原子材料(SA-Co-B₂N₂)对Li₂S的分解势垒更小，Li-S键的键角和键长更大，对Li₂S₆的结合能更高，吸附作用更佳，有潜力作为锂硫电池的载硫材料发挥更优效果。

2、电池展现出优异的电化学性能：在0.2 C下循环100圈后，电极比容量仍可达到1106 mAh g⁻¹；在1 C下循环1000次后表现出优异的循环性能，可逆容量保持在684 mAh g⁻¹，每循环衰减率仅为0.032%。

图文解析

图1.（A）Li₂S的分解势垒;(B) SA-Co/BNC和SA-Co/NC吸附Li₂S电荷差异密度的侧视图。（电子积累（黄色）和丢失（蓝色）区域）；SA-Co/BNC和SA-Co/NC的Li-S键长随时间的变化（C）图和PDOS（D）图；（E）Li-S电池充放电过程中LiPSs变化示意图；（F）Li₂S₆在碳、NC、BNC、SA-Co/BNC和SA-Co/NC 上的结合能。（插图:SA-Co/BNC 上 Li₂S₆吸附构型侧视图）；Li-S电池中（G）碳和（H）单原子嵌入碳的转化过程示意图。

图2.（A）SA-Co/BNC和S@SA-Co/BNC的合成示意图;（B）SA-Co/BNC的SEM图像、（C）TEM图像和(D)HRTEM图像（插图:SAED模式）；（E）SA-Co/BNC显示单钴原子的HAADF-STEM图像；（F）-(J）SA-Co/BNC对应的碳、硼、氮和钴的EDS元素分布。

图3.（A）Co K边的XANES谱图；（B）EXAFS K空间曲线；（C）FT-EXAFS光谱；（D）SA-Co/BNC对应的R空间EXAFS拟合曲线（插图为SA-Co/BNC原子模型）；Co₃O₄（E）和Co箔（F）的R空间EXAFS拟合曲线；SA-Co/BNC（G），Co₃O₄（H）和Co箔（I）的小波变换图。

图4.（A）S@SA-Co/BNC 的CV曲线；（B）S@SA-Co/BNC不同循环圈数的恒流充放电曲线；（C）S@SA-Co/BNC、S@SA-Co/NC和S@BNC电极在0.2 C下的循环性能;(D)S@SA-Co/BNC、S@SA-Co/NC和S@BNC 电极在0.2 C ~ 5 C下的倍率性能；（E）S@SA-Co/BNC在不同倍率下的放电/充电曲线;(F)S@SA-Co/BNC电极循环前和循环后的EIS图谱；（G）S@SA-Co/BNC、S@SA-Co/NC和S@BNC 电极在1 C下的长期循环性能；（H）S@SA-Co/BNC在0.2 C条件下，硫的面载量为1.2 ~ 5.3 mg cm⁻²时的面积比容量。

图5.（A）SA-Co/BNC、SA-Co/NC、BNC和NC的可视化吸附试验及其紫外/可见光谱；SA-Co/BNC吸附Li₂S₆和原始Li₂S₆对应的（B）S 2p，（C）Li 1s高分辨率XPS光谱；SA-Co/BNC 吸附Li₂S₆前后对应的（D）Co 2p，（E）B 1s和（F）N 1s高分辨率XPS光谱。

图6.（A）SA-Co/BNC和SA-Co/NC的对称电池在5 mV s^-1扫速下从-1.5 V到1.5 V的CV曲线；SA-Co/NC和BNC电极的Li₂S₆对称电池的EIS光谱（B）和LSV曲线（C）; Li₂S₂/Li₂S在SA-Co/BNC（D）上的恒电位成核剖面；（E）在SA-Co/BNC、SA-Co/NC、BNC和NC上LiPSs 还原的能量分布。

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