为推动国家“双碳”战略，倡导绿色低碳生活方式，电动汽车的普及越来越广泛。然而，储能电池的能量密度成了制约其发展的瓶颈。作为一类很有潜力的能源存储器件，锂硫电池（LSBs）因其理论容量密度（2567 Wh kg-1）远高于商用锂离子电池（300 Wh kg-1），环境友好，且我国硫资源丰富等优势受到了科研和工业界的广泛关注。但锂LSBs仍受到多硫化锂（LiPS）的穿梭导致的循环稳定性差和缓慢的Li-S反应的限制。传统的解决方案是在正极侧添加金属半导体等催化剂促进LiPS向最终反应产物Li2S的转化。但是，在实际应用中金属半导体催化剂通常存在特定的电子结构，无法最大化发挥其催化效果，从而导致实际能量密度有限，循环稳定性较差。
兰州大学物理学院周金元课题组经过多年探索和积累，在LSBs领域取得重要进展，该研究成果以“Spin Effect to Promote Reaction Kinetics and Overall Performance of Lithium-Sulfur Batteries under External Magnetic Field”为题，近期在国际著名综合学术刊物Angew上发表。
永磁体或铁磁添加剂施加外部磁场可以改变反应前体/中间体/产物和催化剂本身的性质，以提高催化活性、选择性和稳定性。在LSBs的充放电能力的基础上，周金元教授联合加泰罗尼亚能源研究所的Andreu Cabot教授和范小龙教授，由博士研究生张超岳、张超琦、孙国文和硕士研究生潘江泷组成的研究小组在电池电极两侧施加恒定磁场，引发铁磁性催化剂材料自旋极化效应，降低了LiPS的反应动力学势垒。在提高电池比容量的同时，有效缓解了穿梭效应的问题。
外部磁场的存在可以驱动磁性原子的外层电子从低自旋状态过渡到高自旋状态，从而在轨道上产生额外的未配对电子。这种自旋极化会强烈地影响材料的化学吸附、带隙和电荷传输特性。经过测试发现磁场增强LSB的循环能力延长到了8150圈，每圈仅有0.0084%的衰减率。该工作为提高锂硫电池性能提供了一种新的思路，从而说明了自旋效应在LSBs的电催化剂应用的巨大潜力。
上述研究得到了国家自然科学基金委面上项目、国家留学基金委和教育部中央高校基本业务费优秀研究生项目等项目和机构的支持。
该研究工作是该课题组储能器件系列研究工作之一，是在周金元教授指导下基于物理场增强型LSB储能器件研究方面的又一重要研究成果。同时，近期该小组基于电场增强LSB储能器件的研究工作在化学类top期刊上发表（Chem. Eng. J. 2023, 139752）。这一系列工作将为高性能LSB的发展提供新的思路。
文章链接：C. Y. Zhang, C. Zhang, G. W. Sun, J. L. Pan, L. Gong, G. Z. Sun, J. J. Biendicho, L. Balcells, X. L. Fan, J. R. Morante, J. Y. Zhou, A. Cabot, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202211570; https://doi.org/10.1002/anie.202211570.
拓展阅读：Guo Wen Sun, Meng Jing Jin, Qian Yu Liu, Chao Yue Zhang, Jiang Long Pan, Yan Chun Wang, Xiu Ping Gao, Geng Zhi Sun, Xiao Jun Pan, Jin Yuan Zhou, Chemical Engineering Journal, 2023, 139752, https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139752.
