中國粉體網(wǎng)訊 鋰硫電池的高能量密度使其成為下一代儲能技術(shù)的有力候選者，其正負極的主要活性物質(zhì)分別是硫和鋰，在充放電過程中會形成可溶的高階多硫化物從正極擴散至負極，導(dǎo)致正極活性物質(zhì)的流失以及負極的失活，即所謂的“穿梭效應(yīng)”。同時，正極處緩慢的硫還原動力學(xué)也限制了鋰硫電池的性能。近年來，有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在鋰硫電池正極材料中的負載型單原子催化劑可以抑制“穿梭效應(yīng)”以及加快硫還原反應(yīng)動力學(xué)。然而，單原子催化劑的結(jié)構(gòu)種類繁多，超出了傳統(tǒng)的“試錯法”或常規(guī)DFT計算的能力，急需進行系統(tǒng)研究。
近日，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心聯(lián)合研究部李波副研究員的研究小組，采用基于高通量密度泛函理論計算的機器學(xué)習(xí)方法，系統(tǒng)研究了多硫化物的吸附模式，并對上千種氮摻雜碳材料負載的過渡金屬單原子催化劑進行了篩選，為鋰硫電池正極材料中單原子催化劑的設(shè)計提供了指導(dǎo)。這一成果近日發(fā)表于The Journal of Physical Chemistry Letters（doi: 10.1021/acs.jpclett.1c00927）上，并被選為封面文章（cover article）。同時ACS和J. Phys. Chem. 推特分別對該工作進行了介紹和評論。
研究人員首先采用密度泛函理論計算對800余個吸附結(jié)構(gòu)進行計算，結(jié)果顯示多硫化鋰在催化劑上有四種可能的吸附構(gòu)型，并可分為兩大類，即解離吸附和非解離吸附。基于晶體圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的分類器，成功地區(qū)分了發(fā)生S-S鍵斷裂的吸附與其他類型的吸附。研究人員進一步對吸附構(gòu)型的電子結(jié)構(gòu)分析，顯示負載金屬原子后催化劑與多硫化鋰間的相互作用發(fā)生明顯變化，因而使吸附顯著增強，從而減少“穿梭”過程的發(fā)生。此外，機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出的回歸模型對吸附能也具有較好的預(yù)測能力，其平均絕對誤差為0.14 eV�；谶@一模型，預(yù)測了上千個吸附構(gòu)型的吸附能，利用過電勢的計算給出了相應(yīng)的火山型曲線。同時，結(jié)合可溶性多硫化物的吸附能，預(yù)測并篩選出了數(shù)個性能均衡的單原子催化劑。目前的工作不僅拓寬了單原子催化劑的應(yīng)用范圍，也為鋰硫電池正極材料的設(shè)計提供了新思路和新方向。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、遼寧省自然科學(xué)基金材料聯(lián)合基金、NSFC-廣東聯(lián)合基金（第二期）超級計算科學(xué)應(yīng)用研究專項等資助。
圖1. 四種可能吸附構(gòu)型的分布及結(jié)構(gòu)圖示。
圖2. 機器學(xué)習(xí)模型的性能。a) 分類性能，b) 回歸性能。
圖3. 多硫化鋰吸附能及過電勢的預(yù)測。a) LiS*的吸附能，b) 不同催化劑上最弱的可溶性多硫化鋰吸附能，c)所預(yù)測的全部催化劑的“火山圖”，d) 過電勢低于0.1V的催化劑，e) 預(yù)測的過電勢。
圖4. 從左到右：封面圖片、 Journal of Physical Chemistry 推特介紹、ACS推特介紹。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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