随着便携式电子产品、电动汽车和大规模智能电网的广泛应用，对锂离子电池以外的下一代储能设备的需求一直在稳步增长。锂硫(Li-S)电池具有理论比能量高(2600Wh kg−1)、成本低、环境友好等特点，被认为是满足这一新需求的最有前途的候选电池之一。然而，硫和硫化锂的绝缘性，以及可溶性硫化锂的穿梭特性，被认为是最有希望满足这一需求的候选电池之一。阻碍锂硫电池实用化的因素。聚硫醚穿梭和缓慢的硫氧化还原动力学阻碍了锂硫电池的循环性能和倍率性能。加速硫氧化还原反应被认为是捕获和利用可溶性硫颗粒的一条很有前途的途径。
来自哈尔滨工业大学的学者报道了拓扑绝缘体(TI)Bi2Te3作为加速硫电化学的电催化剂。结果表明，Bi2Te3能有效地锚定可溶性硫颗粒，并与吸附的聚硫醚形成无缝的电子传递通道。Bi2Te3对硫还原反应和反向反应均有促进作用。掺入Bi2Te3使锂硫电池能够高效运行，在3C下的倍率容量为857mAh g−1，在1000次循环中的容量衰减率为0.033%。这项工作拓展了TI在Li-S电化学领域的应用，并可能启发进一步的探索。相关文章以“Accelerating Sulfur Redox Reactions by Topological Insulator Bi2Te3 for High-Performance Li-S Batteries”标题发表在AdvancedFunctional Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202109413
图1.a-c)SEM，d，e)TEM，f)HRTEM，g)HAADF-STEM图像，以及h-j)Bi2Te3的元素映射。
图2.a)HRTEM图像(插图为对应的FFT图案)，b)IFFT图案，c)晶格间距分布，d)XRD图案，e)EDS光谱，以及f)Bi2Te3的拉曼光谱。
图3.a)Bi2Te3和b)石墨烯电极在Li2S6电解液中的对称电池的循环伏安曲线；c)Bi2Te3/S和石墨烯/S阴极的循环伏安曲线和d-f)Tafel图。
图4. a)倍率性能，b)恒流充放电电极，c)Bi2Te3/S和Graphene/S阴极的平台容量比和充电势垒的统计数据，d)Bi2Te3/S阴极的长期循环性能。
图5.a)催化剂与硫颗粒之间的吸附能；b)催化剂与溶剂化Li+之间的吸附能；c)Bi2Te3-Li2S4和f)石墨烯-Li2S4吸附体系的DOS值(费米能设为零)；d)费米能附近Bi2Te3-Li2S4吸附体系带分解电荷密度分布的顶视和e)侧视图；g)顶视和h)侧视图。Li、S、C、Bi和Te原子分别用绿色、黄色、巧克力、品红和橙色球表示。
图6.a)Bi2Te3和石墨烯上硫颗粒还原的能量分布；b)Li2S在Bi2Te3和石墨烯上的分解能垒；c)以石墨烯为基点的Gibbs自由能变化和分解能垒汇总；d)硫颗粒在Bi2Te3上的快速氧化还原动力学示意图。
综上所述，本文报道了TI Bi2Te3是一种高效的锂硫电池电催化剂。Bi2Te3对硫颗粒具有较高的识别效率，并能与吸附的聚硫醚形成电子传递通道。该催化剂对硫还原反应和Li2S氧化反应均表现出较高的催化活性。Bi2Te3催化的聚硫醚的快速转化使硫颗粒向阴极侧转移，保护锂阳极免受腐蚀。因此，Bi2Te3电催化剂的加入使Li-S电池具有优异的倍率性能(857mAh g−1，在3C下)和优异的循环稳定性。这项工作证明了Bi2Te3催化硫氧化还原反应的能力，并可能激发更多的TiS用于锂硫电池和其他电化学应用的探索。
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