渤海大學J. Alloys Compd.：基于雙重協同策略設計高硫負載TiO2@yV2O5雙功能復合電極實現對多硫化鋰的高效吸附

1.背景介紹

近年來，鋰硫電池作為新一代儲能器件具有較高的理論比容量（1675 mAh.g^-1）和能量密度（2600 Wh.kg^-1）、天然豐富且對環境友好引起了廣泛關注。盡管如此，它的進一步應用仍然受到自身問題的限制，例如硫自身的導電性差，多硫化物的溶解和遷移造成嚴重的穿梭效應，放電過程中產生的難溶物質造成體積膨脹，鋰枝晶等。研究人員已采用不同策略解決上述問題，例如，采用與多硫化鋰有強相互作用的金屬硫化物，氧化物和鹵化物等極性復合材料，有效的化學吸附多硫化鋰并抑制穿梭效應。眾所周知，TiO₂是一種具有穩定結構的金屬化合物，V₂O₅與硫之間具有強的相互作用，基于此，將兩種化合物的優勢相結合可以有效的提升電池的電化學性能。

2.成果簡介

近日，渤海大學化學與材料工程學院蔡克迪教授和郎笑石副教授為共同通訊作者，碩士研究生王坦為第一作者通過簡單的溶膠-凝膠工藝，雙重協同策略設計出一種新型的具有優異吸附性的TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)雙功能復合材料，并賦予高硫負載作為鋰硫電池的正極。研究表明這種雙功能材料充分發揮了TiO₂穩定性高和V₂O₅吸附力強的協同作用，加速充放電過程中多硫化鋰的擴散、吸附和氧化還原動力學。并通過KOH的選擇性刻蝕，設計合適的空腔結構緩沖體積膨脹并存儲多硫化鋰和硫。因此，基于空腔結構物理限制多硫化物的溶解，同時共價結合的化學方式固定硫，雙重協同抑制了多硫化物的穿梭效應，使得鋰硫電池體現出小的極化、大的硫利用率和穩定的循環性能。相關成果以題為“An excellent adsorptive TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045) bifunctional composite endowing high sulfur loading as cathode material for lithium-sulfur batteries”發表在Journal of Alloys and Compounds上。

3.圖文導讀

(a) TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)的XRD圖

(b) TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)的能譜圖

(a) TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)的Raman圖

(b) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的Raman圖

(c) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的熱重分析

(a) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的循環伏安圖

(b) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的交流阻抗圖

(a-b) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)在0.1C、0.2C的首次充放電圖

(c) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的循環性能圖

4.小結

本工作提供了簡單有效的思路，通過調節KOH的用量設計了一種具有優異吸附性的且結構可控的TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)雙功能復合材料。增加了電子/離子傳輸通道，有利于硫的均勻負載和電解質的滲透，因此鋰硫電池表現出優異的電化學性能。

5.作者簡介

王坦，渤海大學分析化學專業2019級碩士研究生。研究生期間主要致力于高比能鋰硫電池體系復合電極的設計、界面調控及電化學性能研究。自入學以來榮獲國家獎學金，一等學業獎學金等獎項，榮獲渤海大學優秀研究生，文體活動積極分子等榮譽稱號。在Electrochimica Acta，Journal of Alloys and Compounds，International Journal of Energy Research等發表SCI論文4篇，在投ACS Sustainable Chemistry & Engineering，Journal of The Electrochemical Society論文2篇。申請發明專利6項，其中授權2項，包括1項澳大利亞專利。主持渤海大學研究生創新基金項目1項，參與國家自然科學基金面上項目1項及省部級項目2項。

郎笑石，博士，副教授，碩士生導師，1986年11月生于黑龍江省哈爾濱市。2015年7月畢業于哈爾濱工業大學化學工程與技術專業并獲工學博士學位。目前在渤海大學化學與材料工程學院任教，并加入先進化學電源研究所從事鋰硫電池、鉛酸電池、鋰離子電池、鋰空氣電池以及超級電容器等領域研究。近年來，主持或參與國家及省部級以上項目10余項。先后在Journal of Power Sources，Journal of Alloys and Compounds，Sustainable energy & Fuels，Electrochimica Acta等期刊發表學術論文30余篇。申請或授權國家發明專利20余項，并獲遼寧省自然科學學術成果獎三等獎1項，錦州市自然科學學術成果獎一等獎1項，出版學術專著2部。

蔡克迪，教授，博士生導師，遼寧特聘教授，遼寧省"興遼英才計劃"青年拔尖人才，遼寧省"百千萬人才工程"百人層次人選，現任渤海大學化學與材料工程學院副院長、渤海大學先進化學電源研究所所長，錦州市濱海新區管委會副主任（掛職）。2019年遼寧青年科技獎獲得者，2018 年中國產學研合作創新獎獲得者。遼寧省超級電容器工程技術研究中心副主任，遼寧鈦及特種金屬產業校企聯盟副秘書長，中國超級電容器產業聯盟青年理事，國家自然科學基金函評專家，ACS APPL MATER INTER，NANO ENERGY等二十余個國內外學術期刊評審專家。

主要從事能源化學與能源材料領域的基礎應用研究，在新型化學電源體系、先進電極材料構建等方向開展了有意義的研究工作，尤其在金屬空氣電池、有機小分子燃料電池、混合型電容器等領域取得了卓有成效的成果。先后主持了國家自然科學基金（面上、青年）、中國博士后基金（特別資助、面上一等）、遼寧省科技廳重點研發計劃、遼寧省自然科學基金重點項目等二十余項國家及省部級課題，并作為主要完成人參加了國家863計劃、國家973計劃等項目的研究工作，獲遼寧省科技進步獎2項。先后在 ACS APPL MATER INTER 等國際知名學術期刊上發表論文80余篇，單篇最高引用122次，多篇文章入選 ESI 高被引論文。申報國家專利67件，其中授權56件（第一發明人27件），科技成果轉化2項，直接或間接經濟利潤近千萬元，主編《化學電源技術》等學術著作3部。

5.文章信息

Tan Wang, Kedi Cai*, Xiangshi. Lang*, et, al. An excellent adsorptive TiO₂@yV₂O₅ (y=0.025-0.045) bifunctional composite endowing high sulfur loading as cathode material for lithium-sulfur batteries, Journal of Alloys and Compounds, 2021, DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162650.

供稿人：渤海大學 王坦