摘要
锂硫（Li-S）电池具有较高的理论能量密度（2600WhKg-1）和理论比容量（1675mAhg-1），被认为是最具应用前景的下一代储能装置之一。然而，Li-S电池也面临着一些问题，如多硫化锂溶解在电解液中造成穿梭效应以及反应动力学缓慢等问题，这些问题限制了Li-S电池的开发和应用。设计具有对多硫化锂优异吸附性能和催化性能的载体材料是解决上述问题的有效方法之一。本文设计并制备了不同配位结构的氮掺杂碳基双原子材料作为Li-S电池正极载硫材料，探讨双原子活性位点对多硫化锂吸附和催化转化作用以及电化学性能的影响。相关研究内容如下： 本文首先通过模板-碳化法设计并制备了多孔双壳层氮掺杂碳基Fe/Co双原子材料（Fe/Co-NC，Fe和Co均为N4配位），研究并分析了Fe/Co双原子活性位点对多硫化锂的吸附和催化作用以及多孔中空的双壳层骨架结构在高载硫下电池的循环性能。结果表明，S@Fe/Co-NC电极在0.1C时的初始放电比容量可达1241.7mAhg-1，循环100圈后容量保持率为86.8%。通过理论计算评估了Fe/Co-NC对Li2S6的吸附能以及硫还原过程的吉布斯自由能，进一步证实了实验结果的可靠性和Fe/Co-NC双原子材料的优越性。 为了进一步探究不同配位关系的双原子材料对Li-S电池性能的影响并降低材料成本，通过第一性原理计算了不同载体材料对Li2S的分解能垒、ICOHP值（晶体轨道哈密顿布居数的积分值）、S8到Li2S的吸附能以及硫还原过程的吉布斯自由能，发现与单原子Fe/NC、Ni/NC相比较，两种N6配位的Fe-Ni/NC双原子材料吸附、催化性能均更为优异。采用溶解-碳化法合成了有Fe-Ni金属路径和无Fe-Ni金属路径比例接近1∶1的N6配位氮掺杂碳基Fe-Ni双原子材料，研究Fe-Ni双原子活性位点的存在对多硫化锂吸附、催化转化以及电化学性能的影响。具有高催化活性的Fe-Ni双原子活性位点加快了多硫化锂的转化过程，促进了反应动力学，同时与多硫化锂较强的吸附作用进一步缓解了穿梭效应。基于上述优势，S@Fe-Ni/NC电极在0.1C的初始放电比容量为1168mAhg-1，循环100圈后容量保持率可达90.9%。
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