武漢理工麥立強Adv. Mater.：小小氧缺陷，助力多硫化物吸附和催化轉化能力雙提升

【引言】

隨著全球對能源需求的不斷高漲，高能量密度、高容量的儲能器件已經成為能源領域關注的焦點。鋰硫電池因其超高的理論容量（1675 mAh/g）和能量密度（2600 Wh/Kg），有望成為下一代儲能系統的有力候選者。盡管鋰硫電池已經經過幾十年的研究和發展，但是鋰硫電池商業化應用仍然受限于諸多因素。其中，尤其是多硫化物的溶解及其穿梭效應，嚴重造成了的活性物質的損失以及其與鋰離子反應困難，最終導致電池容量迅速衰減，縮短電池壽命。

相比與精細復雜的鋰硫電池宿主材料結構的設計，隔膜修飾工程被認為是一項工藝簡單、可大批量制備的策略，同時對解決鋰硫電池的問題具有同樣的效力。然而，為了實現最優阻隔多硫化物穿梭的能力，大多的數隔膜修飾依靠在隔膜的一側“裝備”一層厚而重的“防護墻”，以達到阻隔多硫化物穿梭的目的。這種厚而重的修飾層不僅難以在隔膜上穩定地存在，同時額外的質量負擔會大大降低鋰硫電池高的能量密度。因此，隔膜修飾工程需要降低修飾材料的使用量，并且同時能有效抑制多硫化物的穿梭。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學麥立強教授和許絮副教授（共同通訊作者）以“Engineering Oxygen Vacancies in Polysulfide-Blocking Layer with Enhanced Catalytic Ability”為題在國際材料領域頂級期刊Advanced Materials上發表文章報道了氧缺陷助力隔膜實現對多硫化物的阻隔和催化轉化。博士研究生李兆槐為該工作的第一作者。研究人員通過第一性原理計算深度探究了氧缺陷(OVs)的引入不僅增強了對多硫化物的吸附能力。而且，因為氧缺陷位點的存在，OVs-TiO₂表面的電子云密度發生變化，極性增強，提高了OVs-TiO₂的離子電子電導率和催化能力。隨后制備了厚度為500 nm 的OVs-TiO₂修飾層功能化隔膜（OVs-TiO₂@PP separator），OVs-TiO₂的面載量僅為0.12 mg/cm²。這層薄薄的修飾層不僅保證了對多硫化物的抑制作用，而且有利于鋰離子的快速通過，同時低的負載量為鋰硫電池高的能量密度提供了保障。電化學性能測試表明，OVs-TiO₂對多硫化物的催化轉化能力，以及在容量、循環穩定性、倍率性能上相比于無氧缺陷TiO₂修飾的隔膜和PP隔膜都有一個極大的提升和改善。尤其是在硫負載量高達7.1 mg cm^-2，循環100圈后面容量仍有5.83 mAh cm^-2，為氧缺陷在其他金屬氧化物中的應用提供了有力的基礎。

【圖文介紹】

圖1. 第一性原理計算

（a）多硫化物結構優化圖；（b）多硫化物在OVs-TiO₂表面吸附結構圖；(c, d) 鋰離子在OVs-TiO₂中的遷移能壘及結構示意圖；(e, f)無氧缺陷二氧化鈦和氧缺陷二氧化鈦的DOS圖譜。

圖2. OVs-TiO₂及其對比樣的形貌結構表征

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

圖3. OVs-TiO₂@PP separator的制備示意圖及形貌表征

(a-c) OVs-TiO₂@PP separator的制備及作用機理示意圖；(d) PP隔膜的SEM圖像；(e, f) OVs-TiO₂@PP separator的SEM圖像。

圖4. 電化學性能測試

（a）CV曲線；（b）多掃速CV曲線；（c）對稱電池測試；（d）0.5 C下的循環性能圖；(e) 倍率性能圖；（f）EIS圖譜；（g）2.0 C下的長循環性能圖；（h）高負載循環圖。

【小結】

總之，此工作結合理論計算及電化學性能，證明了在隔膜修飾重利用氧缺陷工程實現了對多硫化物有效的阻隔和催化轉化。

該工作為鋰硫電池隔膜修飾工程的研究提供了新的方向，尤其在制備超薄隔膜修飾層的發展上，實現了高能量密度和高穩定性的鋰硫電池，有力推動了后續鋰硫電池在能源儲存中的實際應用。

【作者簡介】

麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程學院院長，教育部“長江學者特聘教授”(2016年度)，國家“杰出青年基金”獲得者，國家重點研發計劃“納米科技”重點專項總體專家組成員。現任國際期刊Chemical Reviews、Advanced Materials客座編輯、Accounts of Chemical Research、Joule（Cell子刊）、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials國際編委、Nano Research編委、《功能材料》編委、中國材料研究學會納米材料與器件分會理事。

麥立強教授長期從事納米能源材料與器件研究，設計組裝了國際上第一個單根納米線全固態電化學儲能器件，率先實現了高性能納米線電池及關鍵材料的規模化制備和應用。發表SCI論文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，以第一或通訊作者在影響因子10.0以上的期刊發表論文100余篇，ESI高被引論文55篇，ESI 0.1%熱點論文13篇。獲得國家發明授權專利100余項。在美國MRS、ACS、ECS等重要國際會議做特邀報告50余次。作為會議主席舉辦Nature能源材料會議、Nature太陽能燃料會議、第十屆中美華人納米論壇等重要學術會議。主持國家重大科學研究計劃課題、國家國際科技合作計劃、國家自然科學基金重點項目等30余項科研項目。

獲國家自然科學獎二等獎（第一完成人，2019）、科睿唯安全球高被引科學家（2019）、教育部自然科學一等獎（2018）、英國皇家化學會中國高被引作者（2017）、第十四屆中國青年科技獎（2016）、第十一屆光華工程科技獎青年獎（2016）、湖北省自然科學一等獎（2014）、中國化工學會侯德榜化工科學技術獎青年獎（2016）、EEST2018 Research Excellence Awards（2018）、中國產學研合作創新獎（2016），入選“國家百千萬人才工程計劃”，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務院政府特殊津貼。