Adv. Energy Mater.：导电和催化的三相界面实现锂硫电池中Li2S均匀形核和可控生长

【引言】

随着能源的不断消耗，储能技术和器件也在不断创新和发展，尤其是可充电电池。然而，目前商业化的锂离子电池受正、负极材料的限制，其能量密度难以满足快速发展的个人电子设备和电动汽车对于高能量密度电池的需求。锂硫电池因其具有高达2600 Wh/kg的理论能量密度，被认为极具潜力替代传统的锂离子电池。然而，硫的电化学反应是一个多电子氧化还原过程，其中涉及一系列复杂的相变和相迁移，而其中固相的Li₂S的沉积在很大程度上会影响电池的电化学性能。Li₂S的不均匀沉积会导致正极活性表面的钝化、低的活性Li₂S利用率以及低的放电容量。

【成果简介】

近日，清华大学张强和北京理工大学黄佳琦研究团队合作，提出了兼具强化学吸附、高电导率和高电催化活性的三相界面。这种协同的三相界面能有效地调节可溶性多硫化锂的动力学行为，从而实现放电产物Li₂S的均匀成核和可控生长。通过这种独特三相界面对于Li₂S沉积的有效调控，在高达6C的倍率下，锂硫电池展现出了高达916 mAh g⁻¹放电比容量，即使在6C下500次循环后，依然能够获得高达459 mAh g⁻¹比容量。这项工作从界面化学角度为能源化学开创了新的思路去调节电化学氧化还原反应过程，同时也促进了基于多电子氧化还原反应的能源储存和转化系统的开发。相关研究成果以Conductive and Catalytic Triple‐Phase Interfaces Enabling Uniform Nucleation in High‐Rate Lithium–Sulfur Batteries为题发表在Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图1.Li₂S分别在普通的导电表面（左）以及导电和催化纳米三相界面（右）成核和生长的示意图

图2.CoSe₂/G 的形貌表征

（a）SEM图

（b）TEM图

（c）高分辨率TEM图

（d）CoSe₂/G 的XRD图和CoSe₂的 JCPDS卡片

图3.硫的氧化还原反应的动力学行为

（a）CoSe₂和石墨烯对Li₂S₄的吸附性测试

（b）Li₂S₄被吸附前后CoSe₂的Co 2p和 Se 3d的高分辨率XPS 图

（c）电极分别是CoSe₂/G 和石墨的对称模拟电池在扫描速率为 2000 mV s⁻¹时的CV曲线

（d）不同电极在电位为2.05V时的恒电位放电曲线

（e）电位为2.40V时的恒电位充电曲线

图4.含有CoSe₂/G 功能性隔膜的锂硫电池的电化学性能

（a）倍率性能

（b）对应的恒电流充放电曲线

（c）高倍率循环性能

（d）高载硫循环性能

图5.循环过程中不同反应界面的活性硫的形貌演变

（a）第一圈放电后Li₂S在CoSe₂/G表面沉积的TEM图。内图是CoSe₂纳米点的高分辨率TEM图

（b）对应的STEM元素分布图

（c）第一圈放电后Li₂S在石墨烯表面沉积的TEM图

（d、e）200圈循环后的充电状态下的S在CoSe₂/G表面的TEM图 （d）和高分辨率TEM图（e）

（f）多硫化物的氧化还原反应和Li₂S成核的示意图

【总结】

作者构建了多功能的三相界面来调节多硫化物的电化学氧化还原过程。含有CoSe₂/G 功能性隔膜的锂硫电池在6C下的初始容量为916 mAh g⁻¹,在500次循环后容量依然能够保持在459mAh g⁻¹，同时高硫负载的电极也能高效稳定地运转。这项工作为推动硫的转换动力学和实现对Li₂S的成核和生长的调控开创了新的思路，这项工作同时为以多电子氧化还原反应为基础的能源储存和转化的体系的开发提供了新的思路。

文献链接：Conductive and Catalytic Triple‐Phase Interfaces Enabling Uniform Nucleation in High‐Rate Lithium–Sulfur Batteries

通讯作者简介：

北京理工大学前沿交叉科学研究院黄佳琦课题组在国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京理工大学科技创新计划的资助下，长期致力于能源存储材料研究，尤其是锂硫电池、金属锂电极等下一代高比能电池体系中关键材料的开发。相关研究成果在Angew Chem Int Ed, Adv Mater, Adv Funct Mater, Energy Storage Materials, Sci Bull等期刊发表。黄佳琦担任中国颗粒学会青年理事会理事，Journal of Energy Chemistry《能源化学》及Chinese Chemical Letters《中国化学快报》青年编委，任Advanced Functional Materials《先进功能材料》锂硫电池专刊，Journal of Energy Chemistry 《能源化学》下一代电池专刊客座编辑。入选首届中国科协青年人才托举计划，获评中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，中国颗粒学会青年颗粒学奖等。

清华大学张强课题组致力于能源材料，尤其是金属锂、锂硫电池、电催化方面的研究。在锂硫电池领域内，提出锂硫电池中的锂键化学，通过正极骨架构建、多功能高效电解质设计、引入纳米骨架/修饰表面固态电解质保护层等方法保护金属锂负极，以望构筑高效安全的锂硫电池。这些相关研究工作先后发表在J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Adv Mater, Energy Environ Sci, Energy Storage Mater, Chem, Joule, Nature Commun, Sci Adv, PNAS, Mater Today, J Energy Chem等期刊上。该研究团队在锂硫电池及金属锂保护领域申请了一系列发明专利。近期，该研究团队在《化学评论》和《化学会评论》上进行了二次电池中安全金属锂负极评述（Chem. Rev. 2017, 117, 10403），以及对柔性锂-硫和碱金属-硫族元素可充电电池的评述（Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5237）。

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛整理编辑。感谢张强教授百忙之中对本文进行校稿。

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