作為下一代電池最有前途的陰極材料之一，硫已被廣泛用于有機(jī)系金屬-硫電池，特別是Li-S電池。然而，有機(jī)電解質(zhì)本身的局限性（例如，低離子電導(dǎo)率、易燃性和揮發(fā)性）、多硫化物穿梭效應(yīng)、鋰枝晶以及電池系統(tǒng)在放電和充電過程中的大體積變化都是有機(jī)鋰電池需要解決的緊迫問題。

在這種情況下，近年來（13-20年），研究人員開始關(guān)注高離子導(dǎo)電性、不易燃和化學(xué)溫和的水系金屬-硫電池。在這些對(duì)水系金屬-硫電池的研究中，Cu-S、Fe-S和Zn-S系統(tǒng)因其高可逆容量和水系電解質(zhì)的優(yōu)異循環(huán)性能而備受關(guān)注。與此同時(shí)，水系金屬-硫電池的陰極材料和電解質(zhì)也在逐步進(jìn)行優(yōu)化。然而，沒有發(fā)現(xiàn)新的金屬硫化學(xué)來承擔(dān)能量存儲(chǔ)任務(wù)，對(duì)新系統(tǒng)的探索似乎已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)瓶頸期。

寧波大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院舒杰教授在PNAS上發(fā)文，Synergistic dual conversion reactions assisting Pb-S electrochemistry for energy storage，首次報(bào)道基于雙轉(zhuǎn)換反應(yīng)的Pb-S電池。

根據(jù)對(duì)各種M-S系統(tǒng)的三個(gè)熱力學(xué)參數(shù)的分析：

1. 金屬硫化物[M_xS_y]在水溶液中的溶解度；

2. 充放電過程中金屬硫[M-S]電池系統(tǒng)的體積變化；

3. S/M_xS_y陰極氧化還原對(duì)的電勢(shì)。

作者發(fā)現(xiàn)，PbS具有低溶解度，并且Pb-S電池反應(yīng)過程中體積變化小，與此同時(shí)，S/PbS氧化還原對(duì)在這些S/M_xS_y氧化還原對(duì)中也顯示了合適的電位值（0.376 V）。

因此，作者正式報(bào)告了這種由協(xié)同雙轉(zhuǎn)換反應(yīng)（陰極：S?PbS，陽(yáng)極：Pb²⁺?PbO₂）構(gòu)成的水系Pb-S電池。與其他金屬-硫電池相比，水系Pb-S電池在理論上具有巨大優(yōu)勢(shì)，PbS固有的不溶性使水系Pb-S系統(tǒng)沒有穿梭效應(yīng)。此外，具有穩(wěn)定成核率的Pb-S系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換型負(fù)極賦予了它無枝晶的性質(zhì)，這與傳統(tǒng)的剝離/電鍍式電極的金屬-硫電池大不相同。

得益于這些非凡的特性，水系Pb-S電池表現(xiàn)出1343.9 mAh g_S^?1的高放電容量，400個(gè)周期后容量保留率為71.4%。此外，這種Pb-S系統(tǒng)的可行性在由S陰極和Zn陽(yáng)極{S|Pb(NO₃)₂IIZn(NO₃)₂|Zn}組成的雜交電池中得到了進(jìn)一步證明，該電極的能量密度為930.9 Wh kg_S^?1。

圖1. Pb-S化學(xué)的熱力學(xué)分析

圖2. 正極轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理

圖3. 負(fù)極轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)制

圖4. 水系Pb-S電池的電化學(xué)性能

舒杰，教授，浙江省優(yōu)秀教師、浙江省三育人先進(jìn)個(gè)人。入選浙江省院士結(jié)對(duì)培養(yǎng)青年英才計(jì)劃、浙江省高校領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃、浙江省151人才工程第二層次、寧波市領(lǐng)軍和拔尖人才工程第一層次。獲浙江省高校優(yōu)秀科研成果獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)10余項(xiàng)，承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃（子課題）1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，曾受邀為140多家國(guó)際期刊擔(dān)任審稿人、受邀為Irish Research Council等多個(gè)組織擔(dān)任評(píng)審專家。

研究方向：二次電池材料與體系，包括水系與非水系單價(jià)離子電池、多價(jià)離子電池和雙離子電池

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2118675119