鋰-硫電池因具有極高的理論能量密度，價格低廉，環境友好等優點，被廣泛認為是下一代新型能源的有望候選之一。到目前為止，基於極性化合物和碳基材料作為硫載體的協同作用，鋰-硫電池的實際質量能密度（~500 Wh/kg）已經超過了傳統的鋰離子電池（250-300 Wh/kg）。儘管鋰-硫電池的質量能量密度的發展十分迅速，但由於碳材料表現出較低的振實密度，鋰-硫電池的體積能量密度仍無法與鋰離子電池相比。因此，提高鋰-硫電池的體積能量密度作為商用鋰-硫電池的亟待解決的問題，應該被作為一個長期的研究熱點。另外，在鋰-硫電池充放電的過程中，多硫化物(LiPSs)的穿梭及緩慢的化學反應動力學也造成了鋰-硫電池的容量衰減快，循環壽命低。因此，合理的設計鋰-硫電池的正極材料，使其同時具有良好導電性、高振實密度和優良催化性能，是製備高穩定性、長壽命、高質量容量和體積容量的鋰-硫電池的有效途徑之一。
近期，中科院北京納米能源與系統研究所翟俊宜研究員課題組與蒲雄研究員課題組在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發表了名為「Hollow Ni3Se4with High Tap Density as a Carbon-Free Sulfur Immobilizer to Realize High Volumetric and Gravimetric Capacity for Lithium-Sulfur Batteries」的文章。該文章設計合成了不同形貌的空心Ni3Se4，其中，空心海膽狀Ni3Se4(Ni3Se4-MeOH)具有較大的比表面積(82.7 m2/g)和較高的孔隙率(0.39 cm3/g)，良好的電子導電性，較高的振實密度(1.57 g/cm3)以及豐富的吸附和催化位點，從而保證了鋰-硫電池較高的質量和體積比容量、優異的倍率耐久性和長程循環穩定性，為後續提高鋰-硫電池的電化學性能提供了新的方向。
圖1 Ni3Se4-MeOH、Ni3Se4-EtOH和Ni3Se4-n-PrOH的SEM以及TEM圖。2)Ni3Se4-MeOH對LiPSs具有較強的吸附作用
圖2 (a)Ni3Se4-MeOH、Ni3Se4-EtOH和Ni3Se4-n-PrOH對Li2S6溶液的靜態吸附實驗。(b-d)Ni3Se4-MeOH吸附Li2S6前後的XPS譜圖。(e-g)Ni3Se4(-112)晶面上三種LiPSs分子(Li2S4、Li2S6、Li2S8)的典型結合形狀和吸附能量。3)Ni3Se4-MeOH對LiPSs的轉化具有優異的催化性能
圖3(a, b)Ni3Se4-MeOH/S、Ni3Se4-EtOH/S和Ni3Se4-n-PrOH/S電極循環前後的EIS譜圖。(c)Ni3Se4-MeOH/S、Ni3Se4-EtOH/S和Ni3Se4-n-PrOH/S電極在0.1 mV/s掃描速率下的CV圖。(d-f)不同反應過程的峰值電流與掃描速率平方根之間的關係。(g)Ni3Se4-MeOH/S、Ni3Se4-EtOH/S和Ni3Se4-n-PrOH/S電極的Li2S6轉化反應與溫度的關係。(h, i) Ni3Se4-MeOH、Ni3Se4-EtOH和Ni3Se4-n-PrOH對稱電池的EIS圖譜和CV曲線。
4)Ni3Se4-MeOH/S基鋰-硫電池表現出優異的循環及倍率性能
圖4(a) 0.1 C時Ni3Se4-MeOH/S、Ni3Se4-EtOH/S和Ni3Se4-n-PrOH/S電極的充放電電壓曲線及(b)兩個平台的放電容量及其比值。(c)Ni3Se4-MeOH/S電極在不同電流密度下的充放電電壓曲線。(d) Ni3Se4-MeOH/S、Ni3Se4-EtOH/S和Ni3Se4-n-PrOH/S電極在0.1 C至2.0 C電流密度下的倍率性能。(e)Ni3Se4-MeOH/S、Ni3Se4-EtOH/S和Ni3Se4-n-PrOH/S電極在0.1 C下循環400次的電化學性能。
5)Ni3Se4-MeOH/S基鋰-硫電池同時具有較高的質量以及體積比容量
圖5 Ni3Se4-MeOH/S和Super/S電極的電化學性能比較。(a, b)0.1 C倍率下Ni3Se4-MeOH/S和Super/S電極充放電電壓曲線的比較：(a)質量比容量和(b)體積比容量。(c, d)Ni3Se4-MeOH/S和Super/S電極在1.0 C下的長期循環性能比較，分別基於(c)質量比容量和(d)體積比容量。
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https://doi.org/10.1021/acsami.2c01951
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