人們對(duì)高質(zhì)量電動(dòng)汽車(chē)和移動(dòng)電子產(chǎn)品需求的不斷增加，促使研究人員們急切開(kāi)發(fā)比目前鋰離子電池具有更高能量和功率密度的先進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)。在潛在的候選產(chǎn)品中，Li?S電池有望達(dá)到1675 mAh g?1的高比容量和2600 Wh kg?1的高比能量，在下一代能源存儲(chǔ)中擁有巨大的應(yīng)用前景。但是由于Li?S電池存在復(fù)雜的多電子、多相SRR反應(yīng)，通常會(huì)導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)緩慢，以及工作電池內(nèi)可溶性L(fǎng)iPSs的積累和穿梭，這些都是Li?S電池商業(yè)化必須解決的問(wèn)題。引入電催化劑來(lái)加速LiPSs轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)，減少LiPSs在電解質(zhì)中的積累和遷移，已經(jīng)被證實(shí)是解決上述瓶頸的有效方法。

稀土元素由于其特殊的未完全填充的4f電子構(gòu)型和空的5d軌道，決定其具有良好的電子傳導(dǎo)性；此外，稀土元素的配位數(shù)可變，決定了他們具有“后備化學(xué)鍵”或“剩余原子價(jià)”的作用，因此有利于吸附LiPSs；重要的是稀土元素的4f能級(jí)電子能夠在f-f或f-d組態(tài)之間發(fā)生躍遷，得失電子容易，價(jià)態(tài)可變，因此具有良好的催化能力。近期，溫州大學(xué)楊植課題組受此啟發(fā)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有電子適中填充f軌道的Tb3+/4+氧化物作為電子存儲(chǔ)器。通過(guò)一系列原位/非原位表征技術(shù)以及密度泛函理論計(jì)算分析表明，Tb電子存儲(chǔ)器能夠在Li?S電池充放電過(guò)程中動(dòng)態(tài)釋放/接收電子，并通過(guò)Tb?S和N???Li鍵吸附LiPSs，降低活化能壘，加速電子和鋰離子傳輸，并在充放電過(guò)程中選擇性催化長(zhǎng)鏈和短鏈LiPSs轉(zhuǎn)化，因此表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。其中，引入Tb3+/4+電子存儲(chǔ)器的Li?S電池具有優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性（1 C循環(huán)500次，單圈衰減率為0.087%）和高硫載量、貧電解液能力（面密度為5.2 mg cm?2，液/硫比為7.5 L mg?1）。本工作也展現(xiàn)了稀土催化劑在開(kāi)發(fā)高性能Li?S電池方面具有潛在的應(yīng)用前景。

文章要點(diǎn)：

1、通過(guò)解耦每一步硫轉(zhuǎn)化所需的催化劑條件，合理設(shè)計(jì)了具有適中f軌道的混合價(jià)Tb（Tb3+/4+）作為電子存儲(chǔ)器來(lái)降低每一步硫轉(zhuǎn)化的活化能壘，加速界面電子/Li+傳輸動(dòng)力學(xué)。

2、通過(guò)多種表征方法證實(shí)了，Tb3+促進(jìn)長(zhǎng)鏈多硫化鋰的轉(zhuǎn)化，Tb4+促進(jìn)短鏈多硫化鋰的轉(zhuǎn)化，并通過(guò)重要的中間體S52?，完成了充放電過(guò)程中不同鏈長(zhǎng)LiPSs之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

3、本研究論文展現(xiàn)了f軌道調(diào)控策略在開(kāi)發(fā)高性能Li?S電池體系方面的潛力。

相關(guān)研究成果以“Regulating f orbital of Tb electronic reservoir to activate stepwise and dual-directional sulfur conversion reaction”為題發(fā)表在《InfoMat》（IF=24.789）上，溫州大學(xué)為唯一通訊單位，化材學(xué)院2020級(jí)研究生于爽為第一作者，學(xué)院楊植教授、蔡冬博士以及電氣與電子工程學(xué)院楊碩博士為該論文共同通訊作者，化材學(xué)院教師聶華貴、方國(guó)勇、錢(qián)金杰、胡悅、葛勇杰、肖逵逵、周學(xué)梅，研究生梁策、李婷婷、王浩浩、徐睿、東洋洋參與了這項(xiàng)工作。該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/inf2.12381