与锂离子电池（LIBs）相比，锂−硫电池（LiSBs）的双电子转移过程可以提供更高的理论比容量（1675 mAh/g）和更高的能量密度（2800 Wh/L）。然而，在大多数液体电解质中，锂（Li）金属与S₈晶体的放电反应首先生成可溶性锂多硫化物（Li-PSs），包括Li₂S₈、Li₂S₆和Li₂S₄，然后最终生成不溶性Li₂S₂/Li₂S晶体。这些溶剂化的Li-PSs可以从正极迁移到负极，在负极表面以Li₂S₂/Li₂S绝缘层的形式不可逆地沉淀，导致活性硫损失、库仑效率低和循环性能差等严重的电池退化问题。

为了缓解LiSBs电池中Li-PSs穿梭的现象，布朗大学齐月教授，马里兰大学John Cumings报道了设计了一种独特的碳纳米管包覆硫（S@CNT）正极材料，该材料在碳纳米管壁上具有最佳开环尺寸（ORSs），并进行了实验验证。

文章要点

1）通过计算Li₊离子通过碳纳米管壁上ORSs的输运势垒，比较溶剂和Li-PSs与ORSs的分子尺寸，预测碳原子周围碳原子为16−30的最佳开环可以选择性地允许Li⁺离子和蒸发硫的输运，同时阻止Li-PSs和溶剂分子。

2）研究人员提出了一种CNT氧化过程，并对其进行了数值模拟，结果表明，通过严格控制氧化参数可以获得最佳的氧化产物。随后，实验合成了S@CNT正极，证实了CNT在475 K氧化时产生了最佳的ORS，并且表现出更稳定的循环行为。

综上所述，这种基于计算的独特设计为合成S@CNT正极材料提供了理论依据，实验证实该材料能够缓解锂离子电池中的Li-PSs穿梭效应，提高锂-硫电池的循环性能。

参考文献

Yuxiao Lin, et al, Carbon-Nanotube-Encapsulated-Sulfur Cathodes for Lithium−Sulfur Batteries: Integrated Computational Design and Experimental Validation, Nano Lett., 2021

DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04247

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04247