随着锂离子电池（LIBs）在便携式电子产品和电动汽车中的广泛应用，迫切地需要开发高能量密度、高功率密度的先进电池系统。锂硫（Li-S）电池已成为下一代储能系统最有前途的候选电池之一，由于锂硫电池的理论能量密度高达2600 Wh kg−1和天然丰富的硫。最近的研究表明，锂硫电池的实际应用受到了锂多硫化物（LIPS）的穿梭效应、硫的固有绝缘性及其相关的放电产物（Li2S2/Li2S），以及电化学循环过程中的大体积变化和缓慢的动力学的影响。将硫结合到具有理想多孔结构的碳质材料(S@C)中作为硫的封装一直是解决这些问题的主要策略。由于非极性碳主体与极性LIPS之间的弱结合作用，长期充放电过程中的穿梭效应仍不能完全缓解。因此，寻找一种合适的方法来有效地增强碳载体与LIPS之间的化学相互作用是非常重要的。近日，华南理工大学杨成浩教授团队与美国阿贡国家实验室陆俊研究员合作提出了一种简单的方法来制备Fe2P@氮，磷共掺碳(Fe2P@NPC)的多级结构复合材料，该材料是通过细菌直接生物回收电镀污泥中的铁。这种材料具有Fe2P纳米粒子（NPs）在多孔NPC基体中均匀分散的特点，有效地缓解了循环过程中硫的体积变化，同时为锂离子的高效传输提供了多个通道。此外，在放电过程中形成的具有强粘附性能的Fe2P纳米粒子能够显著促进Li2S在随后的充电过程中的分解。基于这种阴极结构的锂硫电池具有高的比容量（0.1C时比容量为1555.7 mAh g−1）、可观的倍率性能（10 C时比容量为679.7 mAh g−1），并大大提高了循环性能（在1.0 C时500次循环后比容量为761.9 mAh g−1）。该成果以“Fe2P‑decorated N,P Codoped Carbon Synthesized via Direct BiologicalRecycling for Endurable Sulfur Encapsulation”为题发表在ACS Cent. Sci期刊上。要点1、作者将蜡样芽孢杆菌（BC）细胞加入含铁电镀污泥浸出液中。Fe3+离子要么被静电作用困在细菌壁上，要么逐渐渗入细菌内部。一般来说，细菌蛋白质和脂类主要由具有官能团的肽聚糖组成，例如羟基、羧基、氨基、磷酰和酰氨基等。这些基团可以通过配位键与Fe3+离子有效结合，配位键是连续形成均匀分散的Fe2P纳米粒子的“针”和平台。之后在N2气氛下煅烧，细菌转化为N，P共掺杂的生物碳（NPC），形成一个相互连接的Fe2P@NPC，其中Fe2P纳米粒子被均匀地修饰在分级多孔的NPC微管中。要点2、作者首次系统地计算了LiPSs与各种不同表面之间的吸附能，例如Fe2P（111）表面，纯碳（缩写为C）、N掺杂C（吡啶N-和吡咯N-掺杂C）和P-掺杂C。为了演示，作者选择了两种典型的LiPSs，Li2S6和Li2S。计算结果表明Li2S和Li2S6在Fe2P（111）表面的吸附表现出最低值−4.308和−4.694 eV，这远远低于Li2S和Li2S6在纯碳、N掺杂C和P掺杂C上的吸附。因此，Fe2P理论上对Li2S和Li2S6具有最高的化学捕获能力。与纯碳相比，掺杂N、P原子也能提高LiPSs的捕获能力。要点3、 S/Fe2P@NPC阴极组装的锂硫电池展现出优异的电化学性能。当阴极硫负荷控制在2.6 mg cm−2时，S/Fe2P@NPC阴极在0.1 C时可以提供高的初始放电比容量1555.7 mAh g−1，库伦效率高达97.0%。值得注意的是，随着电流密度的增加，充放电平台之间的电压间隙略有增大。当电流密度增加到10 C时，仍然可以观察到两个不同的充放电平台，证实了硫在S/Fe2P@NPC阴极具有良好的氧化/还原反应动力学。在这项工作中，作者利用蜡样杆菌(BC)对电镀污泥中的铁进行直接生物回收，成功地制备出了Fe2P@N、P共掺杂碳(Fe2P@NPC)的多级结构复合材料。多孔NPC基质作为Li-S电池阴极宿主时，有效地缓解了硫的体积变化，并在充放电循环中为Li离子的传输提供了多种通道。同时，Fe2P纳米颗粒均匀分布于N,P共掺杂碳中，有效地增强了可溶性脂质的粘附性能，催化了Li2S的分解。具有S/Fe2P@NPC阴极的Li-S电池具有较高的比容量(0.1 C时1555.7 mAh g−1)、优异的倍率性能(5.0 C时779.0 mAh g−1和10.0 C时679.7 mAh g−1)和循环性能(1.0 C时500次循环后761.9 mAh g−1)。本研究证明了一种简单有效的制备锂硫电池高效多功能电催化剂的方法，并为电镀污泥中大规模回收金属提供了一种新方法。Yijuan Li, et al.Fe2P‑decorated N,P Codoped Carbon Synthesizedvia Direct Biological Recycling for Endurable Sulfur Encapsulation. ACS Cent.Sci. 2020.DOI:10.1021/acscentsci.0c00899.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.0c00899.
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