综述：推进后锂金属硫电池：电催化机理的原位拉曼与傅里叶变换红外光谱研究

《Current Opinion in Solid State and Materials Science》：Advancing post-Li metal-sulfur batteries: In situ Raman and FTIR studies of electrocatalytic mechanisms

　　

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  综述了原位拉曼光谱和红外光谱技术在阐明电池运行过程中硫反应机制方面的研究进展。
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  总结了镁硫电池和铝硫电池中的电催化剂及电催化机制，重点强调了原位光谱分析的见解。
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  重点介绍了人工智能/机器学习、先进表征技术和催化剂设计领域的发展机遇，以加速硫转化电催化剂的研发。

各章节摘要

金属硫电池研究背景

个人电子产品的快速发展、电动汽车、数据中心以及家庭和电网级储能系统的兴起，对储能设备提出了不断提高容量和能量密度的迫切需求。[1]，[2] 目前锂离子电池（Li-ion）采用锂过渡金属氧化物（如LCO和NMC）或磷酸铁锂（LFP）作为正极，石墨作为负极。然而，锂离子电池的工作原理基于嵌入机制，因此其容量和能量

原位表征技术的优势

传统金属硫电池组件和电催化剂的材料表征技术通常为非原位/事后分析方法。非原位表征能够提供电池组件在特定运行阶段（如电芯组装前、循环激活后、老化循环后等）的详细"快照"。[50]，[51]，[52]，[53] 然而，这些技术无法在机制研究中构建全面的视角，无法有效探究电催化剂在

原位拉曼和红外光谱技术在金属硫电池电催化剂研究中的应用

原位/运行中光谱技术常用于表征多硫化物物种和研究电催化剂的作用效果。这些技术通常与电化学表征手段相结合，如循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、恒流放电容法和间歇 galvanostatic 滴定法（GITT），从而使电化学数据与电池内部形貌或化学变化直接关联。在所有原位/运行中表征方法中，光谱技术最适用于获取信息

锂后金属硫电池的电催化剂

锂硫电池由于硫/硫化物的电化学能量存储转化以及锂金属负极的轻量化优势，展现出高比容量和能量密度。然而，锂成本不断攀升且储量稀缺的问题，促使研究者探索金属硫电池中的其他金属负极，包括钠、钾、镁、钙、锌和铝。镁硫和铝硫电池同样具有高比容量和能量密度；此外，镁和铝负极在锂后

结论与展望

可充电金属硫电池，尤其是镁硫和铝硫等锂后金属硫电池，近年来因其高能量密度和低成本储能特性而成为极具前景的储能解决方案。然而，金属硫电池的研究仍面临反应动力学迟缓和多硫化物穿梭效应等挑战。利用原位/运行中拉曼和红外光谱等先进表征技术，有助于推动相关研究的

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文研究结果的竞争经济利益关系或个人关系。

致谢

本工作由美国国家科学基金会（2400108、2427263和2427215）以及密歇根州立大学资助。

杨豪如 | 王瑞刚