锂硫电池的理论比能量可达2600 Wh kg−1，是商用锂离子电池的3-5倍，作为新一代储能器件引起广泛关注。然而聚硫化物穿梭效应使得该类电池循环能力和容量迅速衰减，成为了锂硫电池商业化应用的一大障碍。由香港理工大大学Shu Ping Lau教授牵头的联合研究团队设计制备了新型的黑磷量子点（BPQDs）催化剂应用于锂硫电池，有效抑制了多硫化物的“穿梭效应”，大幅改善锂硫电池倍率性能和循环寿命。研究人员将黑磷（BP）块体置于甲基吡咯烷酮溶液中，经过超声、离心，制备了不同尺寸的BP纳米片（BP-400、BP-800）和BPQDs。透射电镜表征显示，BP-400、BP-800和BPQDs纳米片平均尺寸分别为400nm、800nm和4.5 nm。将制备的三种尺寸的BP纳米片置于含有多硫聚物Li2S8（锂硫电池放电中间产物，量越多电池性能衰退越快）的四乙二醇二甲醚溶液当中进行恒电流的Li2S沉积实验，结果显示BPQDs表面沉积最多的硫化锂（Li2S），意味其能够更加有效地吸附多硫聚物并将其有效催化转化为Li2S，即BPQDs是良好的锂硫电池催化剂材料。通过密度泛函理论（DFT）计算可知，BPQDs纳米片与Li2S8具有很强的表面相互作用，尤其是BPQDs纳米片边缘活性位点与Li2S8相互作用最强，即通过缩减BP纳米片，可以大大提高BP对多硫聚物的吸附性从而达到抑制“穿梭效应”的目的。X射线光电子谱（XPS）表明BPQDs对多硫聚物强吸附作用主要是通过P-S和P-Li键与多硫聚物发生强烈相互作用实现的。BP量子点催化活性位点对多硫聚物的强吸附和快速催化转化促进了Li2S的沉积，这使得多硫聚物在正极中的使用率更高，从而有助于电池性能提升。随后研究人员将BPQDs结合到硫纳米（S）颗粒负载的多孔碳纤维（PCNFs）形成的PCNF/S/BPQDs复合材料，作为正极应用到锂硫电池并进行电化学性能测试。测试结果表明（1.7-2.8 V电压区间、0.1C[1C=1675 mA g-1 ]倍率下），含有BPQDs的复合正极电池初始的放电比容量高达1385 mAh g-1，远远高于无BPQDs的PCNF/S电极电池（907 mAh g-1）。长期循环稳定性测试显示，经过200次充放电循环后，PCNF/S/BPQDs正极电池放电比容量依旧高达1072 mAh g-1，平均单次循环衰减率仅为0.06%；相反，PCNF/S正极电池放电比容量大幅衰减到了623 mAh g-1，平均单次循环衰减率达到了2%；表面了引入BPQDs确实能够有效地抑制多硫聚物的“穿梭效应”。而将放电电流提升到4C时，PCNF/S/BPQDs正极电池依旧可以获得高达784 mAh g-1放电比容量，1000次循环中每次循环容量衰减仅为0.027%，展现出优异的高倍率性能。该项研究合成制备了新型的BPQDs催化剂应用于锂硫电池正极，有效抑制多硫聚物的“穿梭效应”，增强了电池的倍率性能和循环稳定性，为限硫增效提供了一种新的方向策略。相关研究工作发表在《Nature Communications》。
