然而，許多障礙阻礙了Li-S電池的實(shí)際應(yīng)用。其中一個(gè)主要問(wèn)題是多硫化物中間體從陰極擴(kuò)散，導(dǎo)致活性物質(zhì)不可逆轉(zhuǎn)的損失和容量衰減。具有非極性表面作為陰極材料的納米碳不能提供足夠的結(jié)合和限制效應(yīng)以維持陰極內(nèi)的多硫化物。此外，由活性多硫化物和納米碳之間的弱組合引起的不良電化學(xué)接觸也阻礙了Li-S電池的快速和穩(wěn)定循環(huán)。

“異源復(fù)合物摻雜被認(rèn)為是吸附和固定多硫化物中間體的有希望的途徑，”中國(guó)清華大學(xué)研究員張強(qiáng)教授說(shuō)?！叭欢?，由雜原子提供的錨定效應(yīng)的起源仍然不明確，這在很大程度上限制了多硫化物吸附的改善和陰極材料的合理設(shè)計(jì)。”

最近，Q。Zhang教授和清華大學(xué)的同事以及金屬研究所的B.Li教授報(bào)告了一系列摻雜納米碳材料捕獲多硫化物的能力的理論研究。它表明，通過(guò)形成“鋰鍵”（“H鍵”的類(lèi)似物），使用N或O摻雜劑的化學(xué)改性顯著增強(qiáng)了碳主體和多硫化物客體之間的相互作用，從而有效地防止了多硫化物的穿梭。

“我們首次采用平行量子化學(xué)篩選工藝來(lái)選擇最有效的摻雜元素，以幫助限制多硫化物?！钡谝蛔髡哝谜钫f(shuō)?！敖Y(jié)果表明納米碳材料中的N和O摻雜可以形成強(qiáng)偶極-偶極靜電相互作用，這首次被認(rèn)為是摻雜納米碳和多硫化鋰之間的主要相互作用，而F，B，P，S和Cl摻雜劑不能形成它?！?br/>
其他研究人員報(bào)告的實(shí)驗(yàn)工作符合這一預(yù)測(cè)結(jié)果。例如，N摻雜的石墨烯紙電極在100次循環(huán)后表現(xiàn)出大約1000mAhg-1的高比容量，并且對(duì)于陰極電解質(zhì)性Li-S電池具有98％的優(yōu)異庫(kù)侖效率。因此可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)2000次循環(huán)的延長(zhǎng)壽命和每循環(huán)0.028％的極低容量衰減率。

“為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多硫化物的強(qiáng)耦合作用，我們根據(jù)我們的計(jì)算提出了一套合理設(shè)計(jì)Li-S電池中摻雜碳支架的規(guī)則，”侯說(shuō)，“滿足這些條件，摻雜碳可以提供選擇孤對(duì)的強(qiáng)偶極子與多硫化物形成強(qiáng)烈的靜電偶極-偶極相互作用并增強(qiáng)相互作用。關(guān)鍵因素是摻雜原子的電負(fù)性。

為了闡明電負(fù)性的重要性，羌族及其同事提出了一種隱含的火山圖關(guān)系，它將摻雜原子的電負(fù)性與吸附能相關(guān)聯(lián)，以揭示強(qiáng)錨定效應(yīng)的形成。這種關(guān)系提供了對(duì)用于固定多硫化物的摻雜納米碳材料的篩選和合理設(shè)計(jì)的新理解。

“如果我們從規(guī)則和火山圖更進(jìn)一步尋求突破超過(guò)單摻雜的最大限度，那么共摻雜的納米材料中，兩個(gè)或更多相互相鄰的摻雜劑協(xié)同增強(qiáng)偶極矩并提供均勻的對(duì)多硫化物更好的親和力?！皬?qiáng)教授說(shuō)。在不久的將來(lái)，他們將進(jìn)一步研究共摻雜的協(xié)同效應(yīng)，并探索進(jìn)一步增強(qiáng)陰極界面界面相互作用的可能性。