渤大蔡克迪-郎笑石&北理工王振华Electrochim. Acta：优化设计一种高缺陷活性界面加速锂硫电池中多硫化锂的高效吸附

1.背景介绍

电动汽车、无人机、卫星以及其他能源领域的不断发展，高能量密度及低成本的锂硫电池被广泛关注。然而，锂化过程中的体积膨胀、多硫化锂的穿梭效应及氧化还原动力学缓慢导致低的稳定性、严重的自放电及不可逆的容量损失。针对上述问题，大量研究人员对硫正极的结构和性能进行了研究。目前普遍认为高性能硫复合活性材料是一种有效的模式，而合理的基体是其性能的决定性因素。理想的基体材料主要包括碳、金属化合物和导电聚合物。金属化合物中金属和非金属基团之间的极性化学键具有优异的电催化活性和对硫的强吸附性。而通过大量研究发现，由于存在一些高活性界面，多种金属化合物的复合基质比单一金属化合物具有更强的硫吸附活性。

2.成果简介

近日，渤海大学蔡克迪&北京理工大学王振华（共同通讯作者），渤海大学郎笑石为第一作者，硕士研究生王坦为主要完成人精准调控设计一种高缺陷、高活性界面的V₂O_5-x/TiO₂硫宿主材料，高度的缺陷结构为锂硫电池的氧化还原反应提供丰富的活性位点及高的吸附能力，并通过高活性界面实现快速的吸附-转化，密度泛函理论进一步证明材料对多硫化锂的吸附活性。得益于这些独特的结构，V₂O_5-x/TiO₂/S电极制备的锂硫电池表现出低电化学电荷转移电阻（31.89 Ω）和高锂离子转移效率（3.50 ×10^-12），此外，还表现出优异的倍率性能和稳定的循环性能。相关成果以题为“Reasonable design of a V₂O_5-x/TiO₂ active interface structure with high polysulfide adsorption energy for advanced lithium-sulfur batteries”发表于专业电化学期刊Electrochimica Acta上。

3.图文导读

(a) V₂O_5-x/TiO₂的制备示意图

(b) V₂O_5-x/TiO₂的SEM图

(c) V₂O_5-x/TiO₂的TEM/HRTEM图

(a) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂的XRD图

(b) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂的Raman图

(c) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S的Raman图

(a) V_2p的XPS谱图

(b) V₂O_5-x/TiO₂的EDS图及元素含量表格

(c) 锐钛矿结构TiO₂及V₂O_5-x/TiO₂分别与Li₂S₆的最优构型示意图和吸附能计算

(a) V₂O_5-x/TiO₂复合基体对Li₂S₆溶液的吸附照片以及紫外-可见光谱

(b) 0.1 mV s^-1扫速下电极的CV曲线

(c) 电极的交流阻抗图（内部为拟合电路图）

(d-e) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S电极在0.1C和0.2C电流密度下首次充放电图

(f) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S电极在不同电流密度下的循环倍率图

(g) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S电极以0.5C电流密度循环500次的长循环性能图

4.小结

该工作采用简单的溶剂热法构筑一种高性能、高缺陷的V₂O_5-x/TiO₂活性界面结构，用于锂硫电池的硫宿主材料。通过结构表征、电化学测试和密度泛函理论（DFT）计算，V₂O_5-x/TiO₂活性界面具有高的多硫化物吸附能，且制备的电极表现出优异的电化学性能，包括低极化和电阻、高比容量、长循环寿命。这种独特的活性界面可以作为一种理想的结构，有效地抑制多硫化锂的穿梭效应。

5.人物简介

郎笑石，博士，副教授，硕士生导师，1986年11月生于黑龙江省哈尔滨市。2015年7月毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术专业并获工学博士学位。目前在渤海大学化学与材料工程学院任教，并加入先进化学电源研究所从事锂硫电池、铅酸电池、锂离子电池、锂空气电池以及超级电容器等领域研究。近年来，主持或参与国家及省部级以上项目10余项。先后在Journal of Power Sources，Journal of Alloys and Compounds，Sustainable energy & Fuels，Electrochimica Acta等期刊发表学术论文30余篇。申请或授权国家发明专利20余项，并获辽宁省自然科学学术成果奖三等奖1项，锦州市自然科学学术成果奖一等奖1项，出版学术专著2部。

王坦，渤海大学分析化学专业2019级硕士研究生。研究生期间主要致力于高比能锂硫电池体系复合电极的设计、界面调控及电化学性能研究。自入学以来荣获国家奖学金，一等学业奖学金等奖项，荣获渤海大学学术之星，优秀研究生，文体活动积极分子等荣誉称号。在Electrochimica Acta，Journal of Alloys and Compounds，International Journal of Energy Research等发表SCI论文4篇，在投ACS Sustainable Chemistry & Engineering，Journal of The Electrochemical Society论文2篇。申请发明专利6项，其中授权2项，包括1项澳大利亚专利。主持渤海大学研究生创新基金项目1项，参与国家自然科学基金面上项目1项及省部级项目2项。

王振华，北京理工大学长聘教授，博士生导师，化学电源与绿色催化北京市重点实验室副主任，电化学关键技术与化学电源教育部创新团队骨干成员，中国颗粒学会青年理事。主要从事固体氧化物燃料电池、高比能量锂离子电池、锂硫电池关键材料的开发及应用研究，发表SCI论文70余篇，作为第二完成人获国家技术发明二等奖（2018）及教育部科技进步一等奖（2017）。

蔡克迪，教授，博士生导师，辽宁特聘教授，辽宁省"兴辽英才计划"青年拔尖人才，辽宁省"百千万人才工程"百人层次人选，现任渤海大学化学与材料工程学院副院长、渤海大学先进化学电源研究所所长，锦州市滨海新区管委会副主任（挂职）。2019年辽宁青年科技奖获得者，2018年中国产学研合作创新奖获得者。辽宁省超级电容器工程技术研究中心副主任，辽宁钛及特种金属产业校企联盟副秘书长，中国超级电容器产业联盟青年理事，国家自然科学基金函评专家，ACS APPL MATER INTER，NANO ENERGY等二十余个国内外学术期刊评审专家。

主要从事能源化学与能源材料领域的基础应用研究，在新型化学电源体系、先进电极材料构建等方向开展了有意义的研究工作，尤其在金属空气电池、有机小分子燃料电池、混合型电容器等领域取得了卓有成效的成果。先后主持了国家自然科学基金（面上、青年）、中国博士后基金（特别资助、面上一等）、辽宁省科技厅重点研发计划、辽宁省自然科学基金重点项目等二十余项国家及省部级课题，并作为主要完成人参加了国家863计划、国家973计划等项目的研究工作，获辽宁省科技进步奖2项。先后在 ACS APPL MATER INTER 等国际知名学术期刊上发表论文80余篇，单篇最高引用122次，多篇文章入选ESI高被引论文。申报国家专利67件，其中授权56件（第一发明人27件），科技成果转化2项，直接或间接经济利润近千万元，主编《化学电源技术》等学术著作3部。

6.文章信息

Xiangshi. Lang, Tan Wang, Kedi Cai*, et, al. Reasonable design of a TiO₂/V₂O_5-x active interface structure with high polysulfide adsorption energy for advanced lithium-sulfur batteries, Electrochimica Acta, 2021, DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139723.

供稿人：渤海大学 王坦