近日，省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室能源材料团队刘文武副研究员等人在锂-有机硫电池领域取得最新研究进展，并以题“Design of atomic cobalt selenide-doped sulfurized polyacrylonitrile cathode with enhanced electrochemical kinetics for high performance lithium-SPAN batteries”发表在国际工程领域TOP期刊Chemical Engineering Journal (IF:15.1，中科院一区)上，兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室为第一完成单位，刘文武副研究员为第一通讯作者，我校冉奋教授和台湾新竹清华大学阙郁伦客座教授为共同通讯作者。

与锂离子电池相比，锂硫电池因其具有2600 Wh kg^-1的能量密度和1675 mAh g^-1的理论比容量而备受科研人员的关注。另外，硫单质还具有市场资源丰富，成本更加经济，对环境更加友好的优点。但是距离锂硫电池商业化生产应用还有许多问题需要解决，例如：硫导电性差的特点和反应过程产生的LiPSs会阻碍电化学过程的电子转移，导致反应动力学缓慢。并且部分长链LiPSs部分在电解液中溶解，随着电解液浓度梯度的影响发生穿梭，导致电池容量衰减等一系列电化学问题，这种现象被称为“穿梭效应”。因此需要开发一种新的正极材料，在提升反应动力学的基础上，能够有效的解决穿梭效应。硫基聚合物正极材料，与传统的锂硫电池相比，它是一种将聚合物和单质硫链在高温下合成为硫环，然后通过化学键的结合的方式将部分硫链聚合在聚合物上的材料。使用该材料的电池取代了单质硫物理负载的策略。硫基聚合物能够避免长链多硫化物的产生，将电池从双平台的“固-液-固”转化反应转变为单平台的“固-固”转化反应。然而，由于硫基聚合物的自身导电性差，还原反应动力学缓慢，影响电池倍率及循环寿命稳定性。因此，如何合理设计硫正极材料，是解决锂硫电池问题的关键。

在此项研究成果中作者以单原子级硒化钴负载硫化聚丙烯腈高聚物CoSe₂@SPAN为研究对象，探讨了单原子Co负载对SPAN还原储锂过程中亲核试剂S^2–的HOMO能级与亲电试剂Li⁺的LUMO能级匹配度，及其对锂-有机硫电池还原沉积动力学及电化学性能的影响机制。提出了一种新颖的前线轨道匹配策略来加快正极材料SPAN的储锂动力学行为，改善Li-SPAN电池的电化学性能。基于前线分子轨道理论，Li-SPAN电池电化学性能提高主要归因于：正极材料CoSe₂-10@SPAN化学结构中形成的N-Co-S·化学配位使得放电过程中亲核试剂S^2–的HOMO能级与亲电试剂Li⁺的LUMO能级匹配度增强，从而降低了沉积产物Li₂S的成键轨道σ能级，加快了CoSe₂@SPAN正极材料的储锂化学反应动力学，进而提高了电池的可逆容量和循环寿命稳定性。同时单原子硒的掺杂增加了Li⁺的扩散系数，降低了极化电压，使SPAN向Li₂S转变更加迅速；结合DFT计算，对催化机理进行了一系列研究，并取得了一定的创新成果，对未来的研究也具有指导作用。对了解锂-有机硫电池的储锂反应动力学机理，实现高能量密度的锂硫电池，以加速其在商业市场中的应用有科学意义和使用价值。

该项工作得到了国家自然科学基金(No.52262035)、甘肃省科技厅青年基金(No. 21JR7RA256)、金川国家镍钴技术新材料技术创新中心(No.2022GY003)、兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划(No. 062004)、省部共建国家重点实验室优秀青年培育计划(No. 20220108)和甘肃省教育厅“双一流”科研重点项目(GSSYLXM-03)等经费的支持。(撰稿：周宏伟，审核：石玗)

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144581

作者简介：刘文武，男，2017年1月博士毕业于北京科技大学冶金与生态工程学院冶金物理化学专业。长期从事有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池、碳基钙钛矿太阳能电池、锂硫电池、磷酸铁锂动力锂离子电池、新型能源材料与器件研究。主持国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金、金川集团股份有限公司国家金川镍钴新材料技术创新中心横向课题、兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划等项目6项，参与国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、甘肃省科技厅重点研发计划等项目9项。以通讯作者或第一作者身份在国际著名学术期刊Advanced Energy Materials, Journal of Energy Chemistry, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials Interface，Applied Surface Science，Journal of Materials Chemistry C等期刊发表学术论文20余篇，担任International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials、Applied Surface Science、Applied Materials Interfaces等期刊审稿人。担任中国可再生能源学会光伏专业委员会会员，北京科技大学主办国际著名学术期刊International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials青年编委。