Adv. Energy Mater.：多功能層狀WS2納米片提高鋰硫電池的性能

【引言】

鋰硫電池（可參看材料牛綜述文章：Chem. Soc. Rev. 崔屹最新綜述：高能鋰硫電池的設計）的高比容量（1675mAh g^-1）和能量密度（2600Wh kg^-1），同時硫具有成本低、環境友好、安全性能高等優點，能滿足未來動力電池的需要。然而在實際應用中，鋰硫電池存在：1）硫電導率低；2）放電過程中多硫化物的溶解；3）充電過程中硫電極的體積膨脹等問題，導致硫正極的循環壽命短、容量衰減快以及能量效率低，從而限制了鋰硫電池的實際應用^[1]。

最近的研究表明，硫在碳材料中（中孔/微孔碳材料，碳納米管/纖維(CNFs)的孔隙）封裝可以減少容量衰減。然而，這種非極性柔性碳材料具有破壞性缺點：它們僅對極性Li₂S_n具有物理范德華（vdW）吸附，這導致Li₂S_n容易從碳材料表面分離^[2]。

【成果簡介】

10月28日，Advanced Energy Materials在線發表電子科技大學題為“多功能層狀WS₂納米片提高鋰硫電池的性能”（Multi-Functional Layered WS₂ Nanosheets for Enhancing the Performance of Lithium–Sulfur Batteries）的研究論文^[3]，微電子與固體電子學院熊杰教授為通訊作者。

本文亮點：利用水熱合成，這一簡便方法制備極性WS₂納米片包覆碳納米纖維（C@WS₂）的Li-S電池陰極材料；第一性原理計算表明WS₂納米片在多硫化物上表現中等極性，可作為Li-S電池優選電極材料。

【圖文導讀】

圖1 WS₂納米片制備過程示意圖及透射表征

（a） 用于制備復合材料的碳布，

（b、c）WS₂包覆在碳布上(b)和水熱沉積的S負載在碳布上(c)的形貌示意圖。

（d，e）所制備的自支撐C@WS₂復合物的SEM圖片。

（f）C@WS₂（上部）和C@WS2/S（下部）的XRD圖。

（g-h）C@WS₂的低倍和放大TEM圖。

（i）WS₂納米片的晶格結構和FFT圖案（插圖）的HRTEM圖像。

圖2電池性能的電化學測試

（a）在0.1C至2C不同倍率下的充放電電壓曲線，

（b）電極在不同電流密度下的倍率性能，

（c-e）c)電極在1C至2C下或500周期內的循環性能和庫侖效率和 d)電極在0.5C下或500周期內的循環性能和庫侖效率和 e)電極在2C下或1500周期內的循環性能和庫侖效率，具有優異的庫侖效率的前所未有的高容量保持率。

圖3 密度泛函理論計算結果與紫外光譜

（a）在C@WS₂/S上的各種多硫化物構象的示意圖。

（b）通過第一原理計算給出的在C@WS₂/S上的六個不同鋰化階段，Li-S復合材料上的硫化鋰物種（S₈，Li₂S₈，Li₂S₆，Li₂S₄，Li₂S₃和Li₂S）和WS₂之間的相互作用的結合能（Eb）。

（c）C₂WS₂/S和C/S的Li₂S₆溶液的UV-vis光譜（插圖：不同固材中Li₂S₆溶液的光學照片）。

【展望】

多硫化物在WS₂納米片上的極性吸附以及得益于碳納米纖維3D結構優異的電子傳輸，即使在2C的倍率下1500次循環之后，電池仍然保持其比容量的90％，且具有的高比容量（502mAh g^-1）。這項工作開辟了使用非極性/極性3D復合材料生產長周期壽命Li-S電池電極材料的有效方式，為鋰硫電池進一步發展提供了新的思路。

文獻鏈接： Multi-Functional Layered WS2 Nanosheets for Enhancing?the Performance of Lithium–Sulfur Batteries?(Adv. Energy Mater. 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601843)

通訊作者簡介

熊杰，電子科技大學教授，特聘研究員，四川省特聘專家，教育部新世紀優秀人才，四川省千人計劃，四川省杰出青年學術技術帶頭人，電子科技大學百人計劃，四川省青年科技獎獲得者。1979年7月出生于四川大竹，2002年7月電子科技大學應用化學本科畢業，2007年6月獲電子科技大學材料物理化學專業博士學位，同年6月留電子科技大學微電子與固體電子學院工作。2009年5月-2010年5月在美國Los Alamos國家實驗室超導中心（Superconductor Technology Center）從事博士后研究，2010年5月-2011年5月美國Los Alamos國家實驗室綜合納米技術中心（Center for Integrated Nanotechnology）助理研究員。現為美國材料研究協會（MRS），美國真空協會（AVS），美國物理學會（APS），IEEE會員，中國真空學會高級會員，中國電子學會高級會員，四川省科協科青聯會理事。

參考文獻：

[1] Seh ZW, Sun Y, Zhang Q, Cui Y. Designing high-energy lithium-sulfur batteries. Chemical Society Reviews 2016, 45(20): 5605-5634.

[2]?Zhang Q, Wang Y, Seh ZW, Fu Z, Zhang R, Cui Y. Understanding the Anchoring Effect of Two-Dimensional Layered Materials for Lithium–Sulfur Batteries. Nano Letters 2015, 15(6): 3780-3786.

[3] Lei T, Chen W, Huang J, Yan C, Sun H, Wang C, et al. Multi-Functional Layered WS2 Nanosheets for Enhancing the Performance of Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials: 2016, 1601843，DOI: 10.1002/aenm.201601843.

本文由材料人新能源學術小組pamperhey整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。