Nano Energy综述：单原子分散材料在可充放电电池中的应用

引言

金属单原子负载于载体上的原子级分散材料（ADM）具有均匀的活性位点，代表了最大的原子利用率，在催化领域应用广泛。这些结构和形态特征也使ADM成为有吸引力的可充放电电池材料。在此，我们首先介绍了通过物理限制和化学键合作用合成ADM的方法，并总结了ADM在锂金属、锂硫、钠硫、锂氧和锌空气电池中的最新进展，且从原子层面揭示了ADM在其中的作用。最后，我们讨论了该领域的挑战和前景。

亮点

1. 回顾了ADM的合成进展，包括物理限制和化学键合。

2. 概述了ADM在金属锂，锂硫，钠硫，锂氧和锌空气电池中的最新进展。

3. 从第一性原理的角度回顾了研究ADM的计算工作。

4. 讨论了该领域的最新挑战和观点。

成果简介

近日，香港科技大学Francesco Ciucci教授联合华南理工大学唐正华教授发表综述文章，概括总结了单原子分散材料在可充放电电池中的应用。该工作以题为“Atomically dispersed materials for rechargeable batteries”发表在国际知名期刊Nano Energy上。论文第一作者为张志琦博士，刘佳鹏为共同第一作者。另外，Antonino，王宇豪，吴军雄，以及周国栋也在参与到这一工作中。

图文导读

Figure 1．单原子分散材料在Li/Na-S，Zn-air和Li-O₂电池中的应用示意图。

Figure 2． ADM的合成方法概述。

Figure 3．ADM合成的示意图。a）通过MOF的高温热解在N掺杂的多孔碳上构建Co单原子。b）通过光化学途径在TiO₂上构建Pd单原子。c）通过电化学剥离在Mo₂TiC₂T_x MXene纳米片上构建Pt单原子。d）气体传输方式。i）通过ALD技术将Pd单原子固定在石墨烯的氧官能团上。ii）在具有丰富缺陷的富氮碳载体上构建Cu单原子。e）在具有丰富微孔的hNCNC上构建Pt单原子。f）通过球磨法构建石墨烯支撑的MN_x。g）通过高温冲击波法合成ADM（灰色，碳原子；青色，金属前体；红色，金属原子）。

Figure 4．由ADM或原子簇修饰的锂阳极。a）用于锂阳极的SCAu-CC。b）用于锂阳极的SANi-NG。c）用于锂阳极的FeSA-N-C。

Figure 5．a）Co-N/G的HAADF-STEM图。b）和c）具有Co-N/G和相关对照样品的Li-S电池的电化学性能：b）对称电池的循环伏安图和c）速率能力。d）SC-Co的示意图。e）Li₂S在Ni@NG和NG上的分解能垒（蓝色，青色，绿色，黄色和棕色的球分别代表Ni，N，Li，S和C原子）。f）S@Con-HC中NaPS的电极反应机理的示意图。g）S@Con-HC和S@HC的循环性能。

Figure 6．a）基于Co-SAs/C的Li-O₂电池示意图。b-d）第一个充电周期后，b）Co-SAs/NC，c）Co-NPs/NC和d）NC电极的扫描电子显微镜图。反应机理的示意图分别在e）Co-SAs/NC和f）N-C电极中发生。g）Li-O₂电池的Co-SAs/NC电极的循环稳定性和终端放电充电电压。h）N-HP-Co和i）N-HP-Co放电后的SEM图像。j）N-HP-Co催化的Li-O₂电池充电机理的示意图。k-m）用于锌空气电池的NGM-Co。k）固态锌空气电池的示意图。l）NGM-Co和对照催化剂（10.0 volmV s^-1）的线性扫描伏安曲线，显示了ORR和OER活性。 m）锌空气电池的照片。

Figure 7．a）单金属原子M以及双金属原子M1和M2负载在NG上的典型配位结构b）NG上的Cu单原子的不同配位结构模型。c）计算的反应（b）中分组的模型的吉布斯自由能。d）在不同载体上计算出的Fe单原子的电荷密度差：顶部，NG上的单个Fe；P掺杂NG上的单铁中间; 底部，P，S共掺杂NG上的单个Fe。黄色和蓝色区域分别代表电荷密度的累积和损失。

总结

作者对ADM的合成及其在可充放电电池中的应用及相关的机理进行了总结，并提出了自己的一些见解：

（1）廉价、规模化制备高金属单原子担载量的ADM仍然是合成过程中面临的主要挑战。

（2）通过改变单原子活性中心或其配位环境，合理地设计具有特定功能的ADM，有望展现出更多意想不到的活性。

（3）依靠理论计算、原位实验等手段深层次地理解ADM在合成及应用中的问题。

（4）ADM在电池中的应用仍在起步阶段，在储能方面的应用有待进一步挖掘。

课题组简介

香港科技大学Francesco Ciucci教授课题组集中于研究能源材料相关的课题，包括固体氧化无燃料电池（SOFC），锂离子电池，电解催化。此外，课题组在数学建模方面有着很丰富的经验，包括连续性介质模型用以模拟固态电池，分子模型（DFT，MD）等模拟电池材料，以及利用数学物理模型进一步分析理解电化学阻抗谱。

欢迎浏览课题组主页https://ciucci.org/

文献链接：Zhang, Zhiqi, Jiapeng Liu, Antonino Curcio, Yuhao Wang, Junxiong Wu, Guodong Zhou, Zhenghua Tang, and Francesco Ciucci. Atomically dispersed materials for rechargeable batteries. Nano Energy (2020): 105085.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105085

本文由香港科技大学Francesco Ciucci教授课题组供稿。