河北工业大学张效洁研究员团队：多功能中空纳米材料作为硫载体应用于高性能锂硫电池

近日，河北工业大学张效洁研究员团队在Journal of Colloid and Interface Science上发表题为“Multi-function hollow nanorod as an efficient sulfur host accelerates sulfur redox reactions for high-performance Li-S batteries”的文章。该论文通过Schiff base聚合反应原位生长硫化钴（CoS₂-HUT-8）制备一种多功能中空纳米材料用于锂硫电池正极。CoS₂-HUT-8的中空结构有利于硫的负载并限制了活性物质与电解液的直接接触,而均匀分布在体系中的CoS₂不仅可以吸附LiPSs，还可以作为电催化剂加速LiPSs的转化。

本文要点

HUT-8的三嗪环上大量的氮活性中心可以有效地吸附LiPSs和络合Co(II)离子，而三嗪环外部连接的氧原子可以通过给电子效应显著增强这一作用。然后，利用氮活性中心的原位水热反应制备了CoS₂颗粒改性复合材料(CoS₂-HUT-8)并将其应用于锂硫电池的正极。刚性骨架在一定程度上缓解了循环过程中的体积膨胀问题。独特的中空纳米棒结构加强了对LiPSs的物理约束，为CoS₂和硫提供了充足的负载空间，限制了活性物质与电解液的直接接触。CoS₂对LiPSs有很强的化学吸附作用，可以作为电催化剂加速LiPSs的转化和Li₂S的成核。

图1 复合材料制备过程示意图

图2 复合材料的结构表征

实验测试表明CoS₂-HUT-8/S正极在转化LiPSs过程中具有更强的氧化还原反应动力学。为了更好地理解CoS₂-HUT-8复合材料对LiPSs的转化作用，该论文进行了密度泛函理论（DFT）计算。

图3吸附实验、电化学性能测试及DFT理论计算

电化学性能显示CoS₂-SNW/S正极的具有更好的电化学可逆性。催化剂的引入可以使Li₂S更均匀的沉积在载体材料内部，进而有效的降低界面电阻，并且还能显著加速Li₂S的沉积和再溶解过程，从而实现电池内部快速的固-液和液-固转化过程。锂离子的扩散能量分布计算也进一步证明了这个结论。

图4电化学性能测试及锂离子扩散能量分布计算

CoS₂-SNW/S正极具有更高的比容量和更稳定的循环性能，这可以归因CoS₂颗粒与LiPSs有强的吸附作用并可以作为电催化剂加速LiPSs之间的转化。在1 C的电流密度下初始放电比容量为761 mAh×g^-1，500次循环后仍然保有583 mAh×g^-1的放电比容量，每圈衰减率为0.046%。

图5 锂硫电池电化学性能测试

通过系统的表征证实了多功能电极对LiPSs的强物理化学协同吸附和催化转化作用。CoS₂-HUT-8复合材料的合成和应用将为多孔骨架材料的合理设计和结构修改及新型多功能正极材料的开发提供新的思路。

原文连接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.09.015