渤大蔡克迪-郎笑石&北理工王振華Electrochim. Acta：優化設計一種高缺陷活性界面加速鋰硫電池中多硫化鋰的高效吸附

1.背景介紹

電動汽車、無人機、衛星以及其他能源領域的不斷發展，高能量密度及低成本的鋰硫電池被廣泛關注。然而，鋰化過程中的體積膨脹、多硫化鋰的穿梭效應及氧化還原動力學緩慢導致低的穩定性、嚴重的自放電及不可逆的容量損失。針對上述問題，大量研究人員對硫正極的結構和性能進行了研究。目前普遍認為高性能硫復合活性材料是一種有效的模式，而合理的基體是其性能的決定性因素。理想的基體材料主要包括碳、金屬化合物和導電聚合物。金屬化合物中金屬和非金屬基團之間的極性化學鍵具有優異的電催化活性和對硫的強吸附性。而通過大量研究發現，由于存在一些高活性界面，多種金屬化合物的復合基質比單一金屬化合物具有更強的硫吸附活性。

2.成果簡介

近日，渤海大學蔡克迪&北京理工大學王振華（共同通訊作者），渤海大學郎笑石為第一作者，碩士研究生王坦為主要完成人精準調控設計一種高缺陷、高活性界面的V₂O_5-x/TiO₂硫宿主材料，高度的缺陷結構為鋰硫電池的氧化還原反應提供豐富的活性位點及高的吸附能力，并通過高活性界面實現快速的吸附-轉化，密度泛函理論進一步證明材料對多硫化鋰的吸附活性。得益于這些獨特的結構，V₂O_5-x/TiO₂/S電極制備的鋰硫電池表現出低電化學電荷轉移電阻（31.89 Ω）和高鋰離子轉移效率（3.50 ×10^-12），此外，還表現出優異的倍率性能和穩定的循環性能。相關成果以題為“Reasonable design of a V₂O_5-x/TiO₂ active interface structure with high polysulfide adsorption energy for advanced lithium-sulfur batteries”發表于專業電化學期刊Electrochimica Acta上。

3.圖文導讀

(a) V₂O_5-x/TiO₂的制備示意圖

(b) V₂O_5-x/TiO₂的SEM圖

(c) V₂O_5-x/TiO₂的TEM/HRTEM圖

(a) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂的XRD圖

(b) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂的Raman圖

(c) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S的Raman圖

(a) V_2p的XPS譜圖

(b) V₂O_5-x/TiO₂的EDS圖及元素含量表格

(c) 銳鈦礦結構TiO₂及V₂O_5-x/TiO₂分別與Li₂S₆的最優構型示意圖和吸附能計算

(a) V₂O_5-x/TiO₂復合基體對Li₂S₆溶液的吸附照片以及紫外-可見光譜

(b) 0.1 mV s^-1掃速下電極的CV曲線

(c) 電極的交流阻抗圖（內部為擬合電路圖）

(d-e) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S電極在0.1C和0.2C電流密度下首次充放電圖

(f) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S電極在不同電流密度下的循環倍率圖

(g) 不同V含量V₂O_5-x/TiO₂/S電極以0.5C電流密度循環500次的長循環性能圖

4.小結

該工作采用簡單的溶劑熱法構筑一種高性能、高缺陷的V₂O_5-x/TiO₂活性界面結構，用于鋰硫電池的硫宿主材料。通過結構表征、電化學測試和密度泛函理論（DFT）計算，V₂O_5-x/TiO₂活性界面具有高的多硫化物吸附能，且制備的電極表現出優異的電化學性能，包括低極化和電阻、高比容量、長循環壽命。這種獨特的活性界面可以作為一種理想的結構，有效地抑制多硫化鋰的穿梭效應。

5.人物簡介

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。

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，榮獲渤海大學學術之星，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。

王振華，北京理工大學長聘教授，博士生導師，化學電源與綠色催化北京市重點實驗室副主任，電化學關鍵技術與化學電源教育部創新團隊骨干成員，中國顆粒學會青年理事。主要從事固體氧化物燃料電池、高比能量鋰離子電池、鋰硫電池關鍵材料的開發及應用研究，發表SCI論文70余篇，作為第二完成人獲國家技術發明二等獎（2018）及教育部科技進步一等獎（2017）。

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。

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：渤海大學 王坦