河北工業大學張效潔研究員團隊：多功能中空納米材料作為硫載體應用于高性能鋰硫電池

近日，河北工業大學張效潔研究員團隊在Journal?of Colloid and Interface Science上發表題為“Multi-function hollow nanorod as an efficient sulfur host accelerates?sulfur redox reactions for high-performance Li-S batteries”的文章。該論文通過Schiff base聚合反應原位生長硫化鈷（CoS₂-HUT-8）制備一種多功能中空納米材料用于鋰硫電池正極。CoS₂-HUT-8的中空結構有利于硫的負載并限制了活性物質與電解液的直接接觸,而均勻分布在體系中的CoS₂不僅可以吸附LiPSs，還可以作為電催化劑加速LiPSs的轉化。

本文要點

HUT-8的三嗪環上大量的氮活性中心可以有效地吸附LiPSs和絡合Co(II)離子，而三嗪環外部連接的氧原子可以通過給電子效應顯著增強這一作用。然后，利用氮活性中心的原位水熱反應制備了CoS₂顆粒改性復合材料(CoS₂-HUT-8)并將其應用于鋰硫電池的正極。剛性骨架在一定程度上緩解了循環過程中的體積膨脹問題。獨特的中空納米棒結構加強了對LiPSs的物理約束，為CoS₂和硫提供了充足的負載空間，限制了活性物質與電解液的直接接觸。CoS₂對LiPSs有很強的化學吸附作用，可以作為電催化劑加速LiPSs的轉化和Li₂S的成核。

圖1 復合材料制備過程示意圖

圖2 復合材料的結構表征

實驗測試表明CoS₂-HUT-8/S正極在轉化LiPSs過程中具有更強的氧化還原反應動力學。為了更好地理解CoS₂-HUT-8復合材料對LiPSs的轉化作用，該論文進行了密度泛函理論（DFT）計算。

圖3吸附實驗、電化學性能測試及DFT理論計算

電化學性能顯示CoS₂-SNW/S正極的具有更好的電化學可逆性。催化劑的引入可以使Li₂S更均勻的沉積在載體材料內部，進而有效的降低界面電阻，并且還能顯著加速Li₂S的沉積和再溶解過程，從而實現電池內部快速的固-液和液-固轉化過程。鋰離子的擴散能量分布計算也進一步證明了這個結論。

圖4電化學性能測試及鋰離子擴散能量分布計算

CoS₂-SNW/S正極具有更高的比容量和更穩定的循環性能，這可以歸因CoS₂顆粒與LiPSs有強的吸附作用并可以作為電催化劑加速LiPSs之間的轉化。在1?C的電流密度下初始放電比容量為761?mAh×g^-1，500次循環后仍然保有583?mAh×g^-1的放電比容量，每圈衰減率為0.046%。

圖5?鋰硫電池電化學性能測試

通過系統的表征證實了多功能電極對LiPSs的強物理化學協同吸附和催化轉化作用。CoS₂-HUT-8復合材料的合成和應用將為多孔骨架材料的合理設計和結構修改及新型多功能正極材料的開發提供新的思路。

原文連接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.09.015