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第一性原理计算应用于锂硫电池研究的评述

张晓菲 ,  李燊昊 ,  汪震 ,  闫健 ,  刘家琴 ,  吴玉程

化学进展 ›› 2023, Vol. 35 ›› Issue (3) :375-389

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化学进展 ›› 2023, Vol. 35 ›› Issue (3) :375-389 DOI: 10.7536/PC220819
综述
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第一性原理计算应用于锂硫电池研究的评述

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Review on the First-Principles Calculation in Lithium-Sulfur Battery

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摘要

锂硫电池凭借超高理论容量和能量密度以及硫储量丰富和环境友好等优势被认为是极具发展前景的新一代高能电池体系。然而,活性硫及放电终产物导电性差、多硫化物穿梭效应、硫反应动力学缓慢等关键问题严重制约了其实际应用。研究人员采用硫正极设计、功能隔膜/中间层、电解质改性或固体电解质等策略,在解决以上问题方面取得重要进展。然而,针对锂硫电池内部实时动态反应过程、规律和机制以及电极/电解质界面设计调控策略仍缺乏深入认识。第一性原理计算逐渐发展为化学、材料、能源等诸多学科领域的重要研究工具,有助于从原子/分子水平理解反应中间产物性质、分子/电子间相互作用、电化学反应过程和规律、电极/电解质动态演化过程等,相较于“实验试错法”,其在研究锂硫电池内部多电子和多离子氧化还原反应方面具有显著优势。本文全面综述了运用第一性原理计算研究锂硫电池电极与多硫化物相互作用、充放电反应机制以及电解质三个方面的重要进展,展望了第一性原理计算应用于锂硫电池研究的当前挑战和未来发展方向。

Abstract

Lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered as a promising next-generation high-energy battery system due to their ultrahigh theoretical capacity, energy density and the merits of sulfur in terms of abundant resource and environmental friendliness. However, their practical application is confronted with several critical problems including insulation of sulfur and discharge products, shuttle effect of soluble lithium polysulfides, and sluggish reaction kinetics of sulfur, etc. Significant progress has been achieved in addressing these problems by sulfur electrode design, functional separator/interlayer, liquid-electrolyte modification, and solid-electrolyte strategy. Nevertheless, there is still a lack of in-depth understanding of real-time dynamic reaction process and mechanism as well as electrode/electrolyte interface regulation strategy in Li-S batteries. First-principles calculation has gradually developed into an important research tool in various disciplines such as materials, chemistry and energy, facilitating to understand the properties of reaction species, interactions between molecules or/and electrons, electrochemical reaction processes and laws, and dynamic evolution of electrode/electrolyte from the molecular/atomic level. It delivers distinct advantages beyond “experimental trial and error” method in studying the multi-electron and multi-ion redox process in Li-S battery. In this paper, important advances in the application of first principles calculation to study the interactions between electrodes and polysulfides, charge-discharge reaction mechanisms, and electrolytes in Li-S batteries are comprehensively reviewed, and the current challenge and enlightening directions for application of first-principles calculation to study Li-S batteries are also prospected.

Graphical abstract

关键词

锂硫电池 / 第一性原理 / 理论计算 / 电极材料 / 充放电机理 / 电解质

Key words

Li-S battery / first-principles / theoretical calculation / electrode materials / charge-discharge mechanism / electrolyte

引用本文

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张晓菲, 李燊昊, 汪震, 闫健, 刘家琴, 吴玉程. 第一性原理计算应用于锂硫电池研究的评述[J]. 化学进展, 2023, 35(3): 375-389 DOI:10.7536/PC220819
Zhang Xiaofei, Li Shenhao, Wang Zhen, Yan Jian, Liu Jiaqin, Wu Yucheng. Review on the First-Principles Calculation in Lithium-Sulfur Battery[J]. Progress in Chemistry, 2023, 35(3): 375-389 DOI:10.7536/PC220819

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1 引言

“双碳”背景下能源结构面临深刻的低碳转型,亟需发展可再生和清洁新能源。储能技术是构建智能电网与实现可再生能源普及应用的关键技术,也是平抑新能源波动、降低规模化新能源接入对电网造成冲击的重要手段[1,2]。此外,移动电子设备、电动汽车和智能电网快速发展,传统锂离子电池的能量密度日益接近其理论极限,无法满足超过400 Wh·kg-1的高能量密度储能的需求,迫切需要发展新型高能量密度充电电池技术[3,4]。

锂硫电池因其具有高理论比容量(1675 mAh·g-1)和能量密度(2600 Wh·kg-1)且硫储量丰富、成本低廉、环境友好等优势,被认为是极具发展前景的新一代高能电池技术[5]。然而,充放电过程中活性硫及其还原产物的绝缘性、可溶性多硫化物(PS)的“穿梭效应”、硫反应动力学缓慢以及锂负极枝晶导致的循环稳定性差、严重自放电及安全隐患等问题严重限制了锂硫电池的规模化应用[6,7]。为解决以上问题,研究人员从不同角度出发,在硫正极设计、隔膜修饰、电解质改性或固体电解质等方面开展了诸多卓有成效的工作[8⇓~10]。然而,针对锂硫电池内部电化学反应机制及电极、电解质及其界面合理设计策略等方面仍缺乏深入认识[11]。

理论计算和模拟已经扩展到化学、材料和能源等领域,尤其基于量子力学的第一性原理计算在阐明反应机制和提供新材料设计策略并预测其物性方面具有独特优势[12,13]。第一性原理计算在研究和解决锂硫电池关键问题时也发挥了重要作用。通过计算模型的建立,从原子/电子尺度模拟电池材料结构和性质、揭示电池内部复杂反应过程和规律、表征复杂中间产物的结构和能量信息、可视化分子/离子扩散和分解动力学、揭示电极-电解质界面反应机制以及为电池材料筛选设计提供有效指导、拓宽对锂硫电池的认识和理解并促进其发展具有重要意义[14,15]。本文简述了第一性原理计算的模拟方法,进而综述了基于第一性原理计算研究锂硫电池电极材料与多硫化物相互作用、充放电过程中的反应机制以及电解质三个方面的重要进展,最后展望了第一性原理计算应用于锂硫电池研究的当前挑战和广阔前景。

2 第一性原理概述

第一性原理是以量子力学为基础,根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律,经过近似处理后求解薛定谔方程的算法。常用的第一性原理计算方法有:Hartree-Fork(HF)自洽场方法、密度泛函理论(DFT)、准粒子(GW)近似、从头算分子动力学(AIMD)等[16⇓~18],其中HF、DFT、AIMD的应用较为广泛。

HF方法由Hartree和Fock等[19]于20世纪20~30年代提出,采用HARTREE近似、FOCK近似、LCAO-MO近似等,将不可解的多粒子薛定谔方程化简为可求解的单粒子薛定谔方程。DFT的历史可追溯到20世纪20年代,在Thomas和Fermi建立的Thomas-Fermi模型中,体系能量表达为电子密度的函数。1964年,Kohn提出Hohenberg-Kohn定理[20],1965年,Kohn和Sham建立了Kohn-Sham方程[21],阐明了基态能量与电子密度之间的确切关系。锂硫电池领域的大部分理论模拟基于DFT计算,无需经验拟合和参数调节[22]。通过计算材料的稳定构型及能量得到其理化性质,如计算材料缺陷的形成能或迁移能预测新材料的物相稳定性;通过计算多硫化物分子在电极材料表面的吸附作用明确相互作用机制;通过计算反应自由能变、锂离子扩散和Li2S分解评估电极材料催化活性等。AIMD[23]在DFT和HF的发展下应运而生。分子和原子总是不断运动的,分子动力学是依据经典的牛顿力学来模拟材料的微观动力学行为的计算机模拟方法,通过求解所有粒子的运动方程,实时模拟与原子运动路径相关的基本过程。AIMD可用于锂硫电池电解质方面的研究,也可用于模拟或预测电极表面反应动力学过程,尤其是电极与电解质界面反应等。通过建立体相和界面结构模型,计算电解质结构和性质、电解质中的离子输运、电极材料表面或电极-电解质界面离子扩散、推导离子导电率和电解质介电常数以及黏度等宏观性质。

3 电极材料与多硫化物相互作用

活性硫及其放电终产物的绝缘性及多硫化物中间体在电解质中的溶解穿梭导致电池容量快速衰减且循环寿命降低。常用解决策略是将硫与导电载体(宿主)复合来改善其电子/离子传导性并在一定程度上限制多硫离子溶解穿梭。理想的硫宿主材料还应具备以下几点:(1)对PS良好的吸附作用以抑制PS溶解穿梭;(2)提供良好的电子和离子输运以提高反应动力学;(3)催化促进PS氧化还原反应动力学以实现快速充放电。运用第一性原理计算探究PS与电极材料的相互作用,结合实验实现高效筛选,同时指导性预测出理想的宿主材料。

3.1 碳材料

碳材料因具有高电导率、高比表面积、可调孔径分布等独特优势,被广泛用作锂硫电池正极[24,25]。Nazar课题组[26]采用高度有序的介孔碳材料CMK-3作为活性硫载体,碳骨架不仅充当活性物质包裹层,还充当微型电化学反应室。然而由于非极性碳材料对PS的物理锚定能力有限,研究人员提出通过调变碳原子排列方式[27]或引入缺陷、原子掺杂、官能团对碳材料表面进行修饰[28⇓~30],使其具有可调的电子性质和化学反应性。

Li等[27]研究并对比了原始石墨烯、T-石墨烯、P-石墨烯、D-石墨烯和R-石墨炔五种同素异形体单分子膜表面多硫化锂(LiPS)的吸附行为和迁移,探索了碳环的大小和形状对抑制LiPS穿梭效应的影响规律。结果表明,具有八角形环状结构的单分子膜对S8团簇和LiPS的吸附性能较优,LiPS在不同的碳同素异形体上的结合强度主要由碳环结构决定。能同时满足具有稳定结构、大量活性位点、适中吸附强度、低迁移能垒及良好导电性等条件的锚定材料适用于构建锂硫电池的理想正极。Jand等[31]比较了Li2Sx(3,4,5,6,7,8)在原始和缺陷(Stone-Wales(SW)和单空位(SV))石墨烯表面的吸附特点,研究表明色散相互作用(物理吸附)均占主导,Li2Sx在SW位点处的吸附强度略高于原始石墨烯,然而SV缺陷由于对Li2Sx中单个S原子的强吸附导致Li2Sx-1的形成。因此,缺陷并不能显著提升石墨烯捕获Li2Sx的能力。Yi等[30]基于电子结构分析发现Li2S的前沿轨道与SV缺陷石墨烯的能量接近,能够引起强烈的S-C共价相互作用,因此SV缺陷对Li2S的亲合力使其可以成为有效的行核位点。

杂元素掺杂能从根本上改变碳材料的电子结构及表面极性,增强碳主体与含硫客体之间的界面相互作用,主要表现为对多硫化物强的化学吸附作用。Hou等[28]基于DFT研究了不同非金属原子掺杂碳材料与LiPS之间的相互作用,并以火山图的形式提出吸附能与掺杂元素电负性之间的相关关系可作为合理设计掺杂碳材料以实现强dipole-dipole相互作用的一般原则(图1a)。作为C的相邻元素,N和B最常用作掺杂元素,尤其N掺杂被用于调控石墨烯的本征性质。Cheng课题组[32]通过研究不同的N掺杂石墨烯构型与LiPS之间的相互作用,首次揭示了N掺杂碳材料有效锚定LiPS的作用机制。Hou[33]、Li[34]、VÉlez[35]、Gong[36]、Sinthika[37]、Yi[38]等均通过第一性原理计算研究了N掺杂石墨烯与LiPS之间的相互作用,N掺杂的影响表现在以下4个方面:(1)相较于石墨氮掺杂,吡咯氮和吡啶氮由于拥有孤对电子能引起更强的LiPS吸附;(2)N掺杂碳吸附LiPS通过Li-N相互作用主导;(3)相对于平面内掺杂,边缘N掺杂由于N的孤对电子更容易向Li暴露从而更有利于吸附LiPS;(4)共掺杂体系由于杂原子之间可能存在的协同效应能够增强LiPS吸附。除了N、O、S、P、B等非金属杂原子,金属杂原子掺杂碳材料在缓解穿梭效应中也发挥出重要作用[39]。Zhang等[40]研究了不同M、N共掺杂体系MN4@graphene(M=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni和Cu)与LiPS的相互作用机制(图1b)。吸附能、态密度和差分电荷密度分析结果表明,M-S和N-Li之间的竞争体现共掺杂构型的主要差异,M-S体系具有较好的化学吸附和催化性能,另外,吸附能和Li2S分解活化能是合理设计锂硫电池电极材料的关键描述符。

3.2 过渡金属化合物

尽管碳材料具有优良的导电性,且经过表面修饰和改性后的碳材料能一定程度化学吸附LiPS甚至促进硫还原和Li2S氧化,但是活性位点的限制和共轭结构的破坏会造成材料导电性降低。极性的金属化合物(氧/硫/碳/氮/磷化物等)由于对LiPS的强化学吸附作用以及良好的催化转化能力,其作为正极硫载体、正极添加剂、中间层和功能隔膜广泛应用于锂硫电池[41⇓~43]。

3.2.1 过渡金属氧化物

相比于其他金属化合物,通常暴露O2-的金属氧化物由于其具有强极性表面可以更有效吸附LiPS。Tao等[44]对比了5种非导电金属氧化物(MgO,Al2O3,CeO2,La2O3和CaO)修饰碳片用于锂硫电池正极的电化学性能,阐明了非导电金属氧化物缓解穿梭效应和诱导Li2S可控沉积的机理,提出金属氧化物应用于锂硫电池的选择标准。实验结合DFT计算结果表明:仅MgO/C、La2O3/C和CeO2/C复合纳米片表现出较高容量和良好的循环稳定性,MgO、La2O3和CeO2表面能够强吸附LiPS(图2a,b)且具有低的Li扩散能垒(图2c);强吸附、高比表面积和良好Li+扩散性能作为金属氧化物的综合选择标准首次被提出。本研究团队[45]基于DFT探究了La2O3/C/S电极提升锂硫电池循环稳定性和倍率性能的微观机制,揭示了La2O3和氮掺杂碳材料之间的协同机制在于两者共同参与LiPS催化转化(图2d):La2O3表面发生LiPS迁移和二聚体裂解步骤,而通常被认为没有催化作用的碳材料在催化放电过程中发挥了两次锂化-锂迁移并为多硫化物二聚体提供快速的迁移路径的重要作用,为稀土金属氧化物与碳材料的协同效应在分子水平提供了新见解。Yang等[46]将机器学习(ML)技术与DFT计算结合,基于LiPS吸附、硫还原反应机制和电子结构分析,研究了金属原子M掺杂Mn基莫来石型氧化物(SmMnMO)表面硫还原反应的过程和特点,建立了Li2S4吸附能与硫还原过电势之间的线性关系,并明确了由电荷转移、电负性差值以及功函数共同决定的Li2S4吸附强度对硫催化还原性能的关键作用。

3.2.2 过渡金属硫化物

过渡金属硫化物(TMSs)是锂硫电池中最常报道的金属硫族化合物。相较于金属氧化物,有些金属M(M=Ti,Fe,Co,Ni,Mo,V,Cu和W等)硫化物表现出半金属到金属的特性[41,42],这主要是由于软碱性S2-/ S 2 2 -比硬碱性O2-具有更强的共价性。正极引入TMSs作为反应活性位点,不仅能提高有效容量,而且有利于提升电池的循环稳定性和倍率性能[47]。

Chen等[48]系统研究了第一行过渡金属硫化物作为硫正极宿主材料的潜力。不同于掺杂碳材料表面的“Li键”理论[49],即掺杂碳材料通过Li-X(X为掺杂原子)相互作用锚定LiPS,TMSs对LiPS的强吸附主要由“S键”(M-S)贡献。另外,吸附能和Li+迁移能垒被认为是合理设计硫正极的关键描述符。Wu等[50]对比研究了二维(2D)TiX2(X=S,Se,Te)表面LiPS的吸附行为,吸附构型、吸附能和电荷转移等计算结果表明TiS2表现出最好的LiPS吸附效应(强吸附能力且保持结构稳定)和最低的Li2S迁移能垒,能够加快电化学反应动力学。Wang等[51]预测了金属性的VS2表面有适中的LiPS吸附强度和低的Li+迁移能垒。Jayan等[52]阐明了表面和边缘活性位点在WS2吸附LiPS中的定量作用机理:LiPS向WS2的电荷转移是决定吸附强度的关键因素。本研究团队[53]针对MoS2-x/rGO/S复合材料催化LiPS转化的反应机理展开研究。计算结果表明,LiPS在MoS2和MoS2-x表面的转化均经历连续的三步“锂化-裂解”,最后一步裂解均为决速步骤。对于MoS2-x表面,产物Li2S@MoS2-x在热力学上更稳定,且三步裂解所需能量均低于MoS2表面(图3a, b)。MoS2-x表面由于S空位引起周围S原子电荷密度的增大(图3c, d),增强了与裂解后小分子的相互作用,为LiPS的催化转化提供了更多的热力学和动力学驱动力。

3.2.3 过渡金属碳/氮化物

由Gogotsi和Barsoum等[54]于2011年发现由层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的MXene材料具有高比表面积、良好的电子导电性、可调的电子结构,是理论计算关注的一类热点材料。大多数过渡金属碳/氮化物是以元素周期表中第Ⅵ~Ⅷ族金属为基础,碳/氮原子位于金属晶格的间隙位置[55,56]。

面向锂硫电池领域应用较为广泛的MXene材料为Ti2C基和Ti3C2基MXenes[57,58],除此之外,Fan[59]、Liu[60]、Zhang[61]、Wang[62]等以电子结构、晶格参数、LiPS吸附强度和催化转化能力或Li迁移能垒等作为评估标准,对比了除Ti以外其他潜在过渡金属基(Cr,V,Ti,Nb,Hf和Zr等)或不同官能团化(—OH,—S,—F,—Cl和—O等)的MXene用于S正极的可行性。Li等[63]探索了6种不同过渡金属基M3C2O2(M = Cr,V,Ti,Nb,Hf和Zr)与LiPS之间相互作用,电子结构分析结果表明六种MXene吸附LiPS均主要通过Li—O作用,另外,晶格常数与吸附能之间的单调负相关表明晶格常数越小的MXene表现越强的吸附效应(图4a)。Wang等[62]通过计算不同官能化的Ti3C2T2(T=N,O,F,S和Cl)表面的LiPS吸附、催化转化、Li2S分解以及Li+扩散,预测—O和—S封端的Ti3C2T2是有潜力的S正极宿主材料(图4b, c)。

为了锂硫电池正极材料筛选和设计取得新的突破,除了广泛使用的过渡金属氧化物、硫化物、碳/氮化物外,2D硒化物、碲化物、磷化物等最近也引起研究者的高度关注[50,64]。Zhang课题组[65]提出利用ML快速且精确计算了LiPS在AB2型硫宿主材料表面的吸附能,并使用2DMatPedia数据库快速筛选出14种能够抑制穿梭效应的AB2型新型化合物。该课题组又以MoSe2为例[66],成功预测了Li2S4、Li2S6和Li2S8在MoSe2表面的吸附能。ML预测相较于传统DFT计算快6个数量级,误差仅为0.1 eV。

3.3 异质结构

为了应对锂硫电池中穿梭效应、循环稳定性差、活性硫导电性差等挑战,耦合两种或两种以上理化性质不同的材料得到异质结构以协同彼此优势是一种有效策略,如极性过渡金属化合物与非极性碳材料复合形成的异质结构[67⇓~69]。

Yang等[70]通过Nb端有效键合N原子将NbSe2和C2N结合(图5a),以具有高比表面积、良好热稳定性和导电性的C2N作为载体有利于NbSe2的形核和生长,同时又能通过调节表/界面原子环境提高对LiPS的催化活性。DFT结果表明,C2N@NbSe2通过Li—N和Nb—S相互作用吸附LiPS,吸附能高于独立的C2N和NbSe2(图5b,c),与实验表征结果一致。Song等[71]采用静电纺丝结合热处理工艺合成双异质结构的氧族(S/O)钨和钼的化合物修饰碳纳米纤维(WX2@NCF‖MoX2@NCF)S正极,DFT计算表明WS2和MoS2层协作形成Li—S和S—S键实现化学吸附LiPS,为其催化转化提供了前提条件(图5d)。Nguyen等[72]采用原位一步法合成了3D氮掺杂碳纳米管和石墨烯骨架包裹的Co5.47N/Fe3N异质结构(Co5.47N/Fe3N@N-CNT-G)(图5e)。Co5.47N/Fe3N提高了费米能级处态密度,异质界面对LiPS的有效锚定提升了电池循环稳定性(图5f,g)。Gao等[73]构建了Sc2CO-MXene/h-BN异质结构,分别考虑了Sc2CO面和h-BN面与LiPS的相互作用,阐明了异质结构实现高LiPS转化和高硫利用率的机理:异质结构相较于独立材料具有更强的LiPS吸附能、更低的Li+迁移和Li2S分解能垒。

3.4 MOF和COF

金属有机骨架(MOF)和共价有机骨架(COF)材料作为新兴的多孔有机材料,二者具有比表面积大、电子结构可调、活性位点精确分布、环境友好且无毒等优势,作为载体被广泛用于构建各种功能复合材料[74⇓~76]。

MOFs具有高度可控的多孔结构、大量开放的金属位点和路易斯酸碱相互作用位点,其在化学锚定LiPS方面具有突出优势。本课题组[77]计算了MOFs(ZIF-8、ZIF-67和MOF-5)对6种LiPS的吸附作用,通过对比构型、电负性及电荷密度阐明了影响吸附效果的本质原因(图6),结果表明MOFs吸附Li2Sn(1≤n≤8)通过Li-N/O相互作用,吸附能排序为MOF-5>ZIF-8>ZIF-67。ZIF-8由于Zn的电负性小于ZIF-67中的Co,引起配体中较高的N原子电荷密度,吸附能力较强。MOF-5由于配体中O的电负性高于ZIF-8中的N,增强了Li—O相互作用。另外,MOF-5为Li与配体中O的结合提供了足够的空间。因此具有低电负性的金属中心、高电负性的配体杂原子以及足够的配体骨架空间的MOFs对LiPS有较强锚定。相较于3D MOF,具有良好的导电性以及丰富的活性位点的2D MOF能实现快速电子传输。Wang等[78]构建了13种N、S和O配位过渡金属(TM)原子的2D MOFs(TM = Co,Ni,Cu和Zn),其中具有良好导电性的Cu3(HITP)2被认为是双功能催化剂,能同时促进S还原和Li2S氧化分解。另外,高理论硫载量和适中的吸附能保证其能实现快速充放电。此外,基于描述符φ的隐式火山图将2D MOFs的吸附能与TM的配位环境相联系(图6b),为进一步理解2D MOFs的电催化机制并揭示构效关系提供了理论依据。

COFs是一种由轻质元素组成的多孔有机聚合物,因高比表面积、低密度、多活性官能团、有序的排列通道等优势,可用作黏结剂的微量添加剂、隔膜或硫正极宿主材料[79,80]。常见的COFs包含N、O、B原子和苯基。Song等[81]构建了COF-PA(包含硼氧六环基团和苯基)和COF-PB(包含活性五环基团和苯基)两种COFs,探索了表面和孔隙内与LiPS之间的相互作用机制。COF-PA表现出比COF-PB更强的LiPS吸附。电荷密度和态密度进一步分析表明硼氧六环和苯基中O主要贡献了吸附作用,此外,对比孔隙内外表面与LiPS的相互作用,结果表明小空间位阻引起活性位点的暴露增强了吸附效应。

3.5 其他材料体系

除了经典的碳材料、过渡金属化合物以及异质结构、MOF和COF等新兴材料在锂硫电池领域被广泛研究和应用外,其他诸如导电聚合物、生物小分子、2D类石墨烯材料等与LiPS之间的相互作用的研究对于新材料的探索和电化学反应机制的理解也至关重要[82,83]。

氮化碳基材料是一类含氮量高、具有多孔缺陷的石墨类似物[84,85]。近年来,通过实验合成或理论预测的2D氮化碳基材料C2N、C3N4、C4N4、C5N、C9N4等应用于锂硫电池中也表现出优异的电化学性能[86⇓⇓⇓⇓⇓~92],并且克服了N掺杂引起的活性位点密度低及掺杂分布不均的问题。Wang等[89]基于电子结构、LiPS吸附、氧化还原动力学分析,预测了六方晶相(H-C5N)和正交晶相(O-C5N)两种C5N应用于锂硫电池中的潜力,结果表明:O-C5N由于在表面和锯齿状边缘均能化学吸附LiPS,并促进S还原和Li2S氧化,有潜力用作正极锚定材料;而H-C5N仅边缘原子能够吸附LiPS并催化加速Li2S氧化。此外,其他与石墨烯类似的2D单质材料如硼、磷、砷、锑、铋等也被广泛探索,这类材料通常具有稳定的理化稳定性以及较高的电子迁移率和良好的催化性能[93⇓~95]。

锚定材料或催化材料与LiPS之间相互作用机制可以通过计算和分析吸附构型、吸附能、S还原、Li2S氧化、LiPS(Li+)迁移、S载量、电子结构等来研究。“Li键”和“S键”的共存对于实现稳定的多硫化物吸附和低的Li+迁移能垒有重要意义。另外,催化机制的研究尚在初级阶段,仍需要研究者结合实验深入探索微观机理并阐明“Li键”和“S键”的化学本质以探索理想的电极材料。

4 充放电过程中的反应机制

锂硫电池电化学反应中自发歧化和相互转换导致未知长度和电荷态的LiPS的平衡分布,引起复杂S—S键和中间产物(多硫化物分子、多硫离子、自由基等)的测试受阻以及充放电反应过程和机制的研究较为困难。为了测定反应中间产物的形成和演化,紫外可见吸收光谱分析(UV/Vis)、拉曼(Raman)光谱分析、X射线吸收光谱(XAS)、X射线衍射(XRD)、核磁共振(NMR)波谱和高效液相色谱(HPLC)等各种无损表征技术已广泛应用[96,97]。比如,Pascal等[98]发现LiPS的XAS峰面积比和链长之间几乎线性相关,然而不同LiPS存在XAS峰的严重重叠。第一性原理计算为充放电过程中反应机制和规律的阐明提供了新的方法与手段。

锂硫电池中放电终产物为Li2S,充电终产物为正交(α-S)和单斜(β-S)硫,了解中间产物和终产物的电子结构和能量信息有助于设计并开发新的电极或电解质材料。Kim等[99]基于DFT计算了放电终产物Li2S中缺陷的浓度和迁移率,进而研究其电荷传输机理。结果表明Li2S中的电荷传输主要是通过带正电的锂空位进行的,电子传导的贡献可以忽略不计。Liu等[100]基于AIMD研究Li2S充电机理,发现以Li20S10团簇为代表的超小Li2S纳米颗粒的脱锂过程是氧化反应,但局部存在还原反应和歧化反应,且长链LiPS能以Li原子作为媒介与不溶性S2-牢固结合。Li2S2由于很难观察到,其在充放电过程中的角色存在争议。Feng等[101]、Park等[102]和Yang等[103]均认为Li2S2作为中间产物其热力学不稳定,易自发歧化生成Li2S和S。Feng等[101]发现Li2S2存在多个能量相近的晶体结构,表明其形成期间通常以混合物形式出现,进一步证明了XRD和其他晶体结构表征方法来分析充放电产物的困难性。Paolella等[104]利用原位XRD首次发现Li2S2作为不稳定的瞬时物种的存在,并确定了其形成条件:(1)在1,3-二氧戊烷(DOL)/1,2-二甲氧基乙烷(DME)中使用接近饱和的7 M LiTFSI盐;(2)充电结束或放电开始存在高阶LiPS。这证实了充放电过程涉及的化学反应对内部环境的高度敏感。LiPS是锂硫电池充放电过程中的重要中间产物。然而,LiPS在电解质中的存在形式还未被清楚地阐明。Zhang课题组[105]最近首次揭示了LiPS在电解质中表现出强烈地结合额外锂离子并形成阳离子簇(如Li3 S 6 +)的趋势,证实了阳离子LiPS作为锂硫电池电解质中的主要成分存在,此发现更新了人们对锂硫电池化学的常规认知。进一步,基于DFT和MD模拟获得了阳离子LiPS的键长、轨道、电荷等结构信息以及LiPS-Li+相互作用的化学性质和阳离子LiPS在电解质中的溶剂化结构。理论计算中也需要充分考虑LiPS溶剂化对充放电过程的影响。Liu等[106]分析了DOL和DME中LiPS的热力学行为。Park等[102]采用范德华增广密度泛函理论(vdW-DF)、准粒子方法(G0W0)和连续溶剂化技术来预测氧化还原末端相α-S、β-S、Li2S和Li2S2的关键结构、光谱、电子和表面性质。

第一性原理计算通过分析LiPS结构、热/动力学行为、氧化还原反应前后的能量变化等来研究终产物及中间产物的相互转化过程和规律,为阐明锂硫电池充放电机理提供了理论依据。Wang等[107]基于AIMD和DFT研究了Li2Sx(1≤x≤8)团簇结构和放电反应机制:对于Li2Sx(1≤x≤8),当x=1和6时,最稳定构型为链状;当x=2~5,7,8时,最稳定构型为环状(图7a);S8和Li2Sx的稳定性排序为Li2S > Li2S2 > Li2S3 > Li2S4 > Li2S5 > Li2S6 > Li2S7 > Li2S8 > S8。Assary等[108]计算了多硫化物的还原电位和中间产物相互转化的吉布斯自由能,证明了多硫离子 S 2 2 -、 S 3 2 -、 S 4 2 -、 S 3 2 -的存在,并基于此提出锂硫电池的放电反应机制(图7b)。S还原通常被认为是S8 → Li2S8 → Li2S6 → Li2S4 → Li2S3 → Li2S2 → Li2S过程[109]。实际反应过程由于十分复杂,与上述反应顺序存在偏差。Zhou和Cheng等[110]报道了一种基于准嵌入反应的固态锂硫电池,其将PVDF-HFP-in-LiFSI作为聚合物电解质用于Li-SPAN电池,放电过程中残留的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)增强了C—S相互作用,从而避免Li2S形成,最终生成产物Li4S2-PAN,DFT计算也表明DMF能够有效降低固态SPAN中放电过程决速步骤的反应能垒。本研究团队[111]对生物还原剂二硫苏糖醇(DTT)引入中间层还原多硫离子的反应机理进行了探究,发现反应经过DTT去质子化、S—S键断裂、分子内质子转移和环化四步,其中S—S键断裂为决速步骤。长链多硫化物还原为短链涉及 S 8 2 -→ S 2 2 -© S 6 2 -, S 6 2 -→ S 4 2 -© S 2 2 -, S 4 2 -→ S 2 2 -© S 2 2 -和 S 2 2 -→S2-©S2-步骤。 S 8 2 -中低电荷密度的S2和S3原子有利于S2-S3断裂,因此还原生成 S 2 2 -和 S 6 2 -相较于 S 3 2 -和 S 5 2 -、 S 2 2 -和 S 6 2 -以及 S 1 2 -和 S 7 2 -动力学上更有利。Zhang课题组[112]基于系统的DFT计算,以杂原子掺杂碳材料为例,构建了新型电催化模型来揭示Li-S电池中硫还原反应的化学机理。通过分析对称和非对称Li2S4→Li2S还原机制,证明LiSy·(y=1,2,3)自由基的吸附能可以作为预测电催化剂活性、反应路径、决速步骤以及过电势的关键描述符。研究人员通常基于真空状态下的理想模型研究电化学反应机制,然而溶剂的介电常数[113,114]、外磁场[115]和电场[116]等实际因素也对电化学反应过程具有重要影响。Cheviri等[113]认为溶剂介电常数越小,越有利于LiPS还原,不利于LiPS氧化。Velasco等[114]发现高介电常数的溶剂能降低Li2S中Li—S键断裂的活化能。Zhou和Cabot等[115]将硫化钴作为催化剂,实验和理论计算表明外部磁场作用下Co离子电子自旋极化能够减弱电子排斥并增强轨道杂化程度,从而显著改善LiPS吸附强度和锂硫电池反应动力学。

第一性原理计算还有助于充放电电压平台的预测。实验研究中,普遍认为第一个放电平台(2.2~2.3 V)对应于单质S还原为Li2S4,第二个放电平台(2.0~2.1 V)对应于Li2S4还原为Li2S2/Li2S,最低电位平台与Li2S2还原为Li2S有关[107,109]。Lin等[117]基于DFT计算成功预测了LiPS完全溶剂化的双平台开路电压(OCV)和LiPS非溶剂化的单平台OCV,并将完全溶剂化、部分溶剂化和未溶剂化的LiPS分别与C/S正极放电平台相关联,阐明了单平台放电曲线的机理与条件。Arneson等[109]基于AIMD研究了S8 (100)和(001)面的锂化反应和Li2S (111)面的去锂化反应,结果表明,两个电压平台之间存在的中间坡度区域是由局部锂浓度变化导致两种还原机制重叠引起的。

锂硫电池中多硫化物的氧化还原过程、规律和机制十分复杂,实验研究富有挑战性,理论计算也难以模拟电池内部复杂的反应环境,因此需要结合实验和计算两种手段来共同阐明。

5 电解质

电解质在锂硫电池中承担着关联正负极并传输Li+的作用,是影响比容量和循环稳定性等性能的关键因素之一[118]。然而,诸多实际问题如中间产物的溶解度和(电)化学稳定性、电解质的稳定性、离子传导、电解质与电极之间的相容性等仍有待解决。阐明锂金属/离子、多硫离子、电极、电解质等体系之间的相互作用有利于新型电解质的筛选与设计。由于电化学体系的复杂性,实验研究人员很难将体系拆解成单个部分来研究对电池性能的影响。第一性原理计算可以帮助研究者探索电池的独立部分及其体相/界面问题。本章节从液态电解质、固态电解质以及电解质添加剂三个方面介绍第一性原理计算在锂硫电池电解质中的应用。

液态电解质最常见问题是其不稳定性,DOL/DME是最常用的电解液体系,电池循环过程中有机电解液自发分解析气导致电池容量衰减和安全性问题。Chen等[119]研究了DOL/DME的析气行为,计算结果表明:DOL易分解为乙烯,且倾向于与锂金属反应,其最有利的反应路径(图8a,b)为反应1→反应3→反应5→反应7,表现出吸附-反应机理;DME具有良好的稳定性,随DME/DOL比例的增加,放电平台变长,放电容量增大。另外,Li是气体析出的关键,作者基于此提出可在锂负极镀覆表面保护膜来保护锂负极。金属Li与电解液反应形成的固体电解质中间相(SEI)通过改变电极的性质从而影响电池性能。因此对SEI性质的探索也是研究者在电池设计过程的一个关注焦点。Kamphaus等[120]报道了Li2S8在DME电解质中被常用SEI组分(Li2O、Li2CO3、LiF、LiOH和Li2S)钝化后的Li表面还原的过程,在构建多相界面Li/SEI/Li2S8与DME模型的基础上,采用AIMD观察Li2S8的还原反应。研究表明即使有钝化层覆盖,LiPS也不可避免被还原,证明了包括Li2S在内的重要SEI组分的钝化效应。Camacho-Forero等[121]研究了带电界面对电解液分解的影响,发现界面带电荷时,Li盐分解程度更高,并确定了醚类和Li盐两种溶剂的还原机制:C—O键断裂和自由基攻击。Han等[122]比较了电解质分子在不同的溶剂环境(Li+、锂盐阴离子(TFSI-)、锂盐、芘)中的氧化电位,研究发现孤立的电解质分子的氧化电位超出典型锂硫电池的工作电压范围,与不同溶剂络合使氧化电位发生改变:TFSI-使电解质分子的氧化电位至少降低4.7%,Li+使氧化电位比独立分子至少高出10.4%。芘对氧化电位的影响可忽略不计,其氧化趋势与Li+和TFSI-不同。

相比于有机液态电解质,固态电解质能大大降低电池的安全隐患[123]。然而,电极与固态电解质之间较差的界面稳定性、低的离子导率、空间电荷效应以及高界面电阻等问题严重制约了全固态电解质锂硫电池的发展[123⇓~125]。Xu等[126]采用酸性碳纳米管纸(ACNTP)诱导DOL/DME溶液原位聚合制备固态电解质,ACNTP表面—OH和—COOH为LiPS提供了理想的吸附位点,有效抑制了穿梭效应。锂离子导率低是固态锂离子电池和锂硫电池电解质的共性问题,特别针对锂硫电池固态电解质的理论研究较少。Shi等[127]研究了稀土固态电解质Li3HoBr6表面4种Li+迁移路径,DFT计算表明4种迁移路径共同贡献了高离子导率,其中平面外的路径比平面内的直接路径更有利。Sun等[128]研究了S8在电解质聚环氧乙烷(PEO)链上的原位还原反应,基于锂化反应的能量变化确定了主要还原产物为—S4Li,且—S4Li通过与PEO之间的相互作用显著促进了Li+传输。此外,对正极Li2S与固态电解质之间界面性质(晶格结构、电子结构、微观相互作用机制、化学稳定性等)的探索对提升全固态电解质锂硫电池的性能也具有重要意义[129,130]。

固态电解质的高成本以及室温下的低离子导率限制了其现阶段的发展,有机液体仍然是普遍选择,电解质添加剂也是缓解穿梭效应、改善电解质性能的一般策略。Luo等[131]引入商用氯化镍二甲氧基乙烷加合物(NiDME)作为电解液添加剂。由于NiCl2对S8吸附能较小(0.27 eV),充电后NiCl2可能被释放,溶解后重新与电解液中的DME结合,实现整个电化学催化循环(图8c)。放电过程中,该添加剂能显著加速S8向Li2S转化,减少电解液需求量。Wu等[132]利用DFT方法结合能量色散X射线能谱和XPS对二氟草酸硼酸锂(LiODFB)用作有机电解液添加剂提升电池性能的机理展开研究。草酰二氟(草酸)硼酸根离子(F2B[ox]-)在1.6 V电位下还原生成草酸硼自由基(·B[ox]),F-被逐步消除。绝对零度下草酸硼自由基可能与DME和DOL反应,终产物能促进锂负极上SEI的形成,不但缓解了穿梭效应,还能稳定Li表面。

LiNO3常用作电解质添加剂以保护Li负极并缓解氧化还原穿梭和电池自放电。Ebadi等[133]计算了LiNO3的电子结构及其在锂负极表面还原后可能分解产物(N2、N2O、LiNO2、Li3N和Li2N2O2)的N 1s XPS的芯能级结合能(BEs),通过对比实验值来揭示LiNO3的作用。结果表明,Li(s)与N(或O)(s、p)之间的电荷转移和轨道杂化引起价电子密度的重新分布可能是影响芯能级BEs化学位移的主要因素,且BEs与N原子的配位数相关。

电池实际使用时内部环境也更为复杂,譬如电解液的氧化分解反应导致的污染和杂质以及电极、电解质、中间产物形成的多相界面反应机制等需要进一步深层次探索。

6 结论与展望

计算机技术的快速发展和理论化学的不断进步,使得第一性原理计算已经成为科研人员广泛使用的研究工具。本文综述了第一性原理计算在锂硫电池中电极材料与多硫化物相互作用、充放电过程中的反应机制以及电解质三个方面的重要研究进展。在多硫化物相互作用方面,通过计算电极材料的电子结构及其表面多硫化物吸附、催化(S还原和Li2S分解)、(Li+)迁移等行为,筛选出理想的电极材料。在充放电机理方面,计算了中间产物和终产物的关键结构、热力学、光谱、电子和表面性质,并对比实验中充放电电压平台和电化学性能,从微观角度对充放电机理进行探索。在电解质方面,对液态电解质的稳定性、固态电解质界面性质和离子导以及添加剂的确切作用三个方面进行研究,为电解质的筛选和改进提供了理论指导。

基于第一性原理的计算模拟,节省了人力物力,不仅加快了研究人员的实验进程,也为开展实验难以实施的研究提供了可能。第一性原理计算在锂硫电池中的应用尚处于发展阶段,特别在催化氧化还原机制、固态电解质等方面还缺乏深层次的研究。由于受目前计算技术的限制,一些计算结果尚不能精准明确地解释实验现象。研究人员只能根据计算结果与实验现象的相关性,推测因果关系。随着计算机技术和理论化学的进步发展,第一性原理计算有望通过与实验结合解决更多基础科学问题:(1)硫正极宿主材料设计需要平衡其对多硫化物吸附和催化转化作用,以期缓解穿梭效应并实现快速充放电;(2)描述符的建立有助于深入理解电极与多硫化物间相互作用;(3)多种含硫中间产物引起复杂的多步、多相、多离子、多电子氧化还原反应还需要对多硫化物分子、离子、自由基进行更深层的理论研究以及综合考虑溶剂效应、孔隙、空间位阻等模拟条件;(4)液态电解质的筛选设计和影响稳定性的关键因素探究以及固态电解质材料的成分/组分优化、锂离子迁移路径、输运机制的深入理解;(5)机器学习方法的数据处理能力强大,其在锂硫电池研究中发挥着越来越重要的作用,包括材料组分筛选、新材料设计、丰富理论模型、提高研发效率等[134,135]。此外,数据驱动的机器学习方法在电池状态评估和使用寿命预测方面也显示出应用潜力[136,137]。

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基金资助

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国家自然科学基金项目(U1810204)

国家自然科学基金项目(U1910210)

安徽省自然科学基金项目(2008085ME129)

安徽省重点研究与开发计划(202004b11020024)

中央高校基本科研业务费专项资金(PA2021GDSK0087)

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