Adv. Energy Mater.：導電和催化的三相界面實現鋰硫電池中Li2S均勻形核和可控生長

【引言】

隨著能源的不斷消耗，儲能技術和器件也在不斷創新和發展，尤其是可充電電池。然而，目前商業化的鋰離子電池受正、負極材料的限制，其能量密度難以滿足快速發展的個人電子設備和電動汽車對于高能量密度電池的需求。鋰硫電池因其具有高達2600 Wh/kg的理論能量密度，被認為極具潛力替代傳統的鋰離子電池。然而，硫的電化學反應是一個多電子氧化還原過程，其中涉及一系列復雜的相變和相遷移，而其中固相的Li₂S的沉積在很大程度上會影響電池的電化學性能。Li₂S的不均勻沉積會導致正極活性表面的鈍化、低的活性Li₂S利用率以及低的放電容量。

【成果簡介】

近日，清華大學張強和北京理工大學黃佳琦研究團隊合作，提出了兼具強化學吸附、高電導率和高電催化活性的三相界面。這種協同的三相界面能有效地調節可溶性多硫化鋰的動力學行為，從而實現放電產物Li₂S的均勻成核和可控生長。通過這種獨特三相界面對于Li₂S沉積的有效調控，在高達6C的倍率下，鋰硫電池展現出了高達916 mAh g^?1放電比容量，即使在6C下500次循環后，依然能夠獲得高達459 mAh g^?1比容量。這項工作從界面化學角度為能源化學開創了新的思路去調節電化學氧化還原反應過程，同時也促進了基于多電子氧化還原反應的能源儲存和轉化系統的開發。相關研究成果以Conductive and Catalytic Triple‐Phase Interfaces Enabling Uniform Nucleation in High‐Rate Lithium–Sulfur Batteries為題發表在Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.Li₂S分別在普通的導電表面（左）以及導電和催化納米三相界面（右）成核和生長的示意圖

圖2.CoSe₂/G 的形貌表征

（a）SEM圖

（b）TEM圖

（c）高分辨率TEM圖

（d）CoSe₂/G 的XRD圖和CoSe₂的 JCPDS卡片

圖3.硫的氧化還原反應的動力學行為

（a）CoSe₂和石墨烯對Li₂S₄的吸附性測試

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

（c）電極分別是CoSe₂/G 和石墨的對稱模擬電池在掃描速率為 2000 mV s^?1時的CV曲線

（d）不同電極在電位為2.05V時的恒電位放電曲線

（e）電位為2.40V時的恒電位充電曲線

圖4.含有CoSe₂/G 功能性隔膜的鋰硫電池的電化學性能

（a）倍率性能

（b）對應的恒電流充放電曲線

（c）高倍率循環性能

（d）高載硫循環性能

圖5.循環過程中不同反應界面的活性硫的形貌演變

（a）第一圈放電后Li₂S在CoSe₂/G表面沉積的TEM圖。內圖是CoSe₂納米點的高分辨率TEM圖

（b）對應的STEM元素分布圖

（c）第一圈放電后Li₂S在石墨烯表面沉積的TEM圖

（d、e）200圈循環后的充電狀態下的S在CoSe₂/G表面的TEM圖?（d）和高分辨率TEM圖（e）

（f）多硫化物的氧化還原反應和Li₂S成核的示意圖

【總結】

作者構建了多功能的三相界面來調節多硫化物的電化學氧化還原過程。含有CoSe₂/G 功能性隔膜的鋰硫電池在6C下的初始容量為916 mAh g^?1,在500次循環后容量依然能夠保持在459mAh g^?1，同時高硫負載的電極也能高效穩定地運轉。這項工作為推動硫的轉換動力學和實現對Li₂S的成核和生長的調控開創了新的思路，這項工作同時為以多電子氧化還原反應為基礎的能源儲存和轉化的體系的開發提供了新的思路。

文獻鏈接：Conductive and Catalytic Triple‐Phase Interfaces Enabling Uniform Nucleation in High‐Rate Lithium–Sulfur Batteries

通訊作者簡介：

北京理工大學前沿交叉科學研究院黃佳琦課題組在國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京理工大學科技創新計劃的資助下，長期致力于能源存儲材料研究，尤其是鋰硫電池、金屬鋰電極等下一代高比能電池體系中關鍵材料的開發。相關研究成果在Angew?Chem Int Ed, Adv Mater, Adv Funct Mater, Energy Storage Materials, Sci?Bull等期刊發表。黃佳琦擔任中國顆粒學會青年理事會理事，Journal of Energy Chemistry《能源化學》及Chinese Chemical Letters《中國化學快報》青年編委，任Advanced Functional Materials《先進功能材料》鋰硫電池專刊，Journal of Energy Chemistry?《能源化學》下一代電池專刊客座編輯。入選首屆中國科協青年人才托舉計劃，獲評中國化工學會侯德榜化工科技青年獎，中國顆粒學會青年顆粒學獎等。

清華大學張強課題組致力于能源材料，尤其是金屬鋰、鋰硫電池、電催化方面的研究。在鋰硫電池領域內，提出鋰硫電池中的鋰鍵化學，通過正極骨架構建、多功能高效電解質設計、引入納米骨架/修飾表面固態電解質保護層等方法保護金屬鋰負極，以望構筑高效安全的鋰硫電池。這些相關研究工作先后發表在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。該研究團隊在鋰硫電池及金屬鋰保護領域申請了一系列發明專利。近期，該研究團隊在《化學評論》和《化學會評論》上進行了二次電池中安全金屬鋰負極評述（Chem. Rev. 2017, 117, 10403），以及對柔性鋰-硫和堿金屬-硫族元素可充電電池的評述（Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 5237）。

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛整理編輯。感謝張強教授百忙之中對本文進行校稿。

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