近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅团队与有机-无机杂化材料研究组研究员杨启华团队合作，发展出一种单原子锌修饰的中空碳球纳米反应器。该反应器可同时用作锂硫电池正极、负极的基体，提高对多硫化物的催化活性并抑制锂负极枝晶的生长，应用该反应器的高比能锂硫全电池具有高载量、高倍率、长循环的性质。

锂硫电池是锂电池的一种，截止2013年尚处于科研阶段。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到 1675m Ah/g 和 2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池。
　　锂硫电池具有较高理论能量密度(2600Wh/kg)和比容量(1675mAh/g)，被认为是具有潜力的下一代高能量密度的电化学储能技术。但正极多硫化物的穿梭效应、转化动力学缓慢、负极的锂枝晶生长等导致锂硫电池的容量较低、安全性能不高、循环稳定性差，这限制了其商业化发展。因此，设计一种轻质量、高导电、高催化活性、优异亲锂位点、高机械强度的载体材料，同时能抑制多硫化物穿梭和金属锂枝晶的锂硫全电池，是目前突破锂硫电池应用瓶颈的一种有效方法。
　　锂硫电池的充放电原理：典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。
　　锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675 mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860 mAh/g。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li2S)时。相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600 Wh/kg。
　　硫电极的充电和放电反应较复杂，截止2013年对硫电极在充电和放电反应中产生的中间产物还没有明确的认识。锂负极与硫正极的充放电反应如式(1-1)至式(1-4)所示，硫电极的放电过程主要包括两个步骤，分别对应两个放电平台。式(1-2)对应S8的环状结构变为Sn2-(3≤n≤7)离子的链状结构，并与Li+结合生成Li2Sn，该反应在放电曲线上对应2.4—2.1V附近的放电平台。式(1-3)对应Sn2-离子的链状结构变为S2-和S22-并与Li+结合生成Li2S2和Li2S，该反应对应放电曲线中2.1—1.8V附近较长的放电平台，该平台是锂硫电池的主要放电区域。Yuan Lixia等人研究了锂硫电池中硫正极的电化学反应过程。他们认为放电时位于2.5—2.05V电位区间对应单质硫还原生成可溶的多硫化物及多硫化物的进一步还原，位于2.05—1.5V电位区间对应可溶的多硫化物还原生成硫化锂固态膜，它覆盖在导电碳基体表面。充电时，硫电极中Li2S和Li2S2被氧化S8和Sm2-(6≤m≤7)，并不能完全氧化成S8，该充电反应在充电曲线中对应 2.5 ~ 2.4V 附近的充电平台。
　　该研究针对锂硫电池存在的问题和遭遇的关键技术瓶颈，结合吴忠帅团队在高性能锂硫电池体系和杨启华团队在高效纳米反应器催化体系的研究，发展出原子尺度的、单原子锌修饰的中空碳壳纳米反应器。该反应器具有较高的比表面积、多级的孔结构、良好的亲锂金属表面、优异的催化活性。将其同时应用于锂硫电池的正极和负极，提升了正极对多硫化物的吸附催化转化能力，抑制了负极的锂枝晶生长。该电池在700圈长循环条件下，容量衰减率仅0.015%；在高电流密度条件下，仍有989mAh/g的比容量。此种中空碳壳纳米反应器的设计策略，为基于转化反应的锂硫电池等高能密度能源器件的设计提供参考。

相关研究成果发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上。研究工作得到国家重点研发计划、中科院洁净能源创新研究院等的资助。