由于最近间歇性可再生能源的出现和电动汽车的采用，市场对高效能源存储系统的需求不断增加，而锂硫电池（LSB）的存储能量是传统锂离子电池的三到五倍，成为一种有前景的解决方案。LSB使用锂作为阳极，硫作为阴极，但这种组合也带来了挑战。问题之一是“穿梭效应”，即循环过程中形成的中间多硫化锂（LiPS）物质会在阳极和阴极之间迁移，导致容量衰减、低生命周期和较差的倍率性能。
其他问题还包括锂离子吸收过程中硫阴极的膨胀，以及电池运行过程中绝缘锂硫物质和锂枝晶的形成。虽然已采用各种策略（例如阴极复合材料、电解质添加剂和固态电解质）来应对这些挑战，但这些策略还涉及限制LSB进一步发展的权衡和考虑。
近日，凭借高可设计性以及独特的几何和电子结构，原子级精确的金属纳米团簇（尺寸为1-3纳米的金属原子聚集体）在材料研究方面受到了相当大的关注，包括LSB。然而虽然已经提出了金属纳米团簇的许多合适的应用，但仍然没有其实际应用的例子。
据外媒报道，由东京理科大学（Tokyo University of Science，TUS）Yuichi Negishi教授领导的日本和中国研究团队利用铂（Pt）掺杂金（Au）纳米团簇Au24Pt（PET）18（PET：苯乙硫醇，SCH2CH2Ph）的表面结合特性和氧化还原活性，以作为LSB中的高效电催化剂。相关研究已发表于期刊《Small》。
图片来源：东京理科大学
该研究由TUS助理教授Saikat Das与中国兰州大学贺德衍教授和刘德全副教授共同撰写。研究人员制备了具有大比表面积、高孔隙率和导电网络的Au24Pt（PET）18和石墨烯（G）纳米片的复合材料，并利用它们开发出一种电池隔膜，可加速LSB中的电化学动力学。
Negishi教授表示：“使用基于Au24Pt（PET）18@G的隔膜组装的LSB可以阻止LiPS的穿梭，抑制锂枝晶的形成，并提高硫的利用率，表现出优异的容量和循环稳定性。”
该电池在0.2 A g−1的第一次循环中表现出1535.4 mAh g−1的高可逆比容量，在5 A g−1时表现出887 mAh g−1的优异倍率性能。此外，在5 A g−1下循环1000次后保留的容量为558.5 mA h g−1。
这些结果凸显了在LSB中使用金属纳米团簇的优势，包括提高能量密度、更长的循环寿命、增强的安全特性以及减少LSB对环境的影响，使其更加环保，并且与其他储能技术相比更具竞争力。
Negishi教授表示：“具有金属纳米团簇的LSB可能会在电动汽车、便携式电子产品、可再生能源存储以及其他需要先进储能解决方案的行业中得到应用。此外，这项研究预计将为具有更多新颖功能的全固态LSB铺平道路。”
未来，新技术可能会带来具有成本效益且更持久的能量存储设备，从而有助于减少碳排放并支持可再生能源的采用，进而促进可持续发展。
