武汉理工麦立强Adv. Mater.：小小氧缺陷，助力多硫化物吸附和催化转化能力双提升

【引言】

随着全球对能源需求的不断高涨，高能量密度、高容量的储能器件已经成为能源领域关注的焦点。锂硫电池因其超高的理论容量（1675 mAh/g）和能量密度（2600 Wh/Kg），有望成为下一代储能系统的有力候选者。尽管锂硫电池已经经过几十年的研究和发展，但是锂硫电池商业化应用仍然受限于诸多因素。其中，尤其是多硫化物的溶解及其穿梭效应，严重造成了的活性物质的损失以及其与锂离子反应困难，最终导致电池容量迅速衰减，缩短电池寿命。

相比与精细复杂的锂硫电池宿主材料结构的设计，隔膜修饰工程被认为是一项工艺简单、可大批量制备的策略，同时对解决锂硫电池的问题具有同样的效力。然而，为了实现最优阻隔多硫化物穿梭的能力，大多的数隔膜修饰依靠在隔膜的一侧“装备”一层厚而重的“防护墙”，以达到阻隔多硫化物穿梭的目的。这种厚而重的修饰层不仅难以在隔膜上稳定地存在，同时额外的质量负担会大大降低锂硫电池高的能量密度。因此，隔膜修饰工程需要降低修饰材料的使用量，并且同时能有效抑制多硫化物的穿梭。

【成果简介】

近日，武汉理工大学麦立强教授和许絮副教授（共同通讯作者）以“Engineering Oxygen Vacancies in Polysulfide-Blocking Layer with Enhanced Catalytic Ability”为题在国际材料领域顶级期刊Advanced Materials上发表文章报道了氧缺陷助力隔膜实现对多硫化物的阻隔和催化转化。博士研究生李兆槐为该工作的第一作者。研究人员通过第一性原理计算深度探究了氧缺陷(OVs)的引入不仅增强了对多硫化物的吸附能力。而且，因为氧缺陷位点的存在，OVs-TiO₂表面的电子云密度发生变化，极性增强，提高了OVs-TiO₂的离子电子电导率和催化能力。随后制备了厚度为500 nm 的OVs-TiO₂修饰层功能化隔膜（OVs-TiO₂@PP separator），OVs-TiO₂的面载量仅为0.12 mg/cm²。这层薄薄的修饰层不仅保证了对多硫化物的抑制作用，而且有利于锂离子的快速通过，同时低的负载量为锂硫电池高的能量密度提供了保障。电化学性能测试表明，OVs-TiO₂对多硫化物的催化转化能力，以及在容量、循环稳定性、倍率性能上相比于无氧缺陷TiO₂修饰的隔膜和PP隔膜都有一个极大的提升和改善。尤其是在硫负载量高达7.1 mg cm^-2，循环100圈后面容量仍有5.83 mAh cm^-2，为氧缺陷在其他金属氧化物中的应用提供了有力的基础。

【图文介绍】

图1. 第一性原理计算

（a）多硫化物结构优化图；（b）多硫化物在OVs-TiO₂表面吸附结构图；(c, d) 锂离子在OVs-TiO₂中的迁移能垒及结构示意图；(e, f)无氧缺陷二氧化钛和氧缺陷二氧化钛的DOS图谱。

图2. OVs-TiO₂及其对比样的形貌结构表征

(a-c) OVs-TiO₂的STEM图像；（d, e）EELs图谱；（f）XRD图谱；（g）EPR图谱。

图3. OVs-TiO₂@PP separator的制备示意图及形貌表征

(a-c) OVs-TiO₂@PP separator的制备及作用机理示意图；(d) PP隔膜的SEM图像；(e, f) OVs-TiO₂@PP separator的SEM图像。

图4. 电化学性能测试

（a）CV曲线；（b）多扫速CV曲线；（c）对称电池测试；（d）0.5 C下的循环性能图；(e) 倍率性能图；（f）EIS图谱；（g）2.0 C下的长循环性能图；（h）高负载循环图。

【小结】

总之，此工作结合理论计算及电化学性能，证明了在隔膜修饰重利用氧缺陷工程实现了对多硫化物有效的阻隔和催化转化。

该工作为锂硫电池隔膜修饰工程的研究提供了新的方向，尤其在制备超薄隔膜修饰层的发展上，实现了高能量密度和高稳定性的锂硫电池，有力推动了后续锂硫电池在能源储存中的实际应用。

【作者简介】

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，教育部“长江学者特聘教授”(2016年度)，国家“杰出青年基金”获得者，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。现任国际期刊Chemical Reviews、Advanced Materials客座编辑、Accounts of Chemical Research、Joule（Cell子刊）、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials国际编委、Nano Research编委、《功能材料》编委、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。

麦立强教授长期从事纳米能源材料与器件研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线全固态电化学储能器件，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。发表SCI论文300余篇，包括Nature 1篇、Nature Nanotechnol 2篇、Chem Rev 2篇、Chem Soc Rev 1篇、Nature Commun 9篇、Adv Mater 14篇、Nano Lett 25篇、Joule 2篇、Chem 2 篇、Acc. Chem. Res. 1篇、PNAS 2篇、J Am Chem Soc 2篇和Energy Environ Sci 1篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告50余次。作为会议主席举办Nature能源材料会议、Nature太阳能燃料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。主持国家重大科学研究计划课题、国家国际科技合作计划、国家自然科学基金重点项目等30余项科研项目。

获国家自然科学奖二等奖（第一完成人，2019）、科睿唯安全球高被引科学家（2019）、教育部自然科学一等奖（2018）、英国皇家化学会中国高被引作者（2017）、第十四届中国青年科技奖（2016）、第十一届光华工程科技奖青年奖（2016）、湖北省自然科学一等奖（2014）、中国化工学会侯德榜化工科学技术奖青年奖（2016）、EEST2018 Research Excellence Awards（2018）、中国产学研合作创新奖（2016），入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。