【引言】

锂硫电池因其超高的理论比容量和能量密度、环境友好、储量丰富、价格低廉等优点，被认为是下一代电化学储能器件的重要发展方向之一。但是锂硫电池的发展和未来的商业化应用仍然受限于很多因素，比如硫及其放电产物硫化锂极低的电导率，充放电过程中由于硫的体积变化导致的性能衰减，以及充放电中间产物多硫化锂的穿梭效应等。针对上述问题，主要的解决途径是将硫与各种碳材料和非碳的极性化合物进行复合来提升正极导电性的同时，实现对多硫化锂的有效吸附，进而抑制穿梭效应，提高电池性能。然而，如何实现高硫负载下，高面容量的发挥仍然是一个极具挑战性的工作。

【成果介绍】

近日，湘潭大学王先友教授（通讯作者）团队在Small上发表了题为“Multifunctional Heterostructures for Polysulfide Suppression in High-Performance Lithium-Sulfur Cathode”的文章，设计制备了一种新型3D柔性多功能氮硫共掺杂碳布@二硫化钼/钙钛矿/碳纳米管/硫复合材料（DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S）用于锂硫电池正极。三维碳布骨架具有良好的弹性和机械强度，使得制备的复合物不需要粘合剂，同时多孔的框架提供了足够的内部空间，能促进锂离子传输和减缓循环过程中硫体积变化大的问题。在碳布骨架上均匀生长的MoS₂促进了反应过程中对多硫化锂的化学吸附，锚固的PrNP高效的催化了多硫化锂的转化，覆盖的CNTs涂层加速了电子传输，碳布的杂原子掺杂也提供了丰富的活性位点，这样一个整体设计来最大化的抑制多硫化锂的穿梭效应。所得电池获得了高的硫利用率，优异的循环稳定性和好的倍率性能。该研究提供了一种相对简单的制备DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S复合物的思路，为制备应用于可穿戴设备的柔性电极提供了新的方向。
           

图1 DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S的制备流程示意图。

图2 (a, b) DCC, (c, d) DCC@MoS₂, (e, f) DCC@MoS₂/PrNP, (g, h) DCC@MoS₂/PrNP/CNTs的SEM图, (i) 合成材料的照片。

图 3 (a) 对称电池CVs, (b) UV/vis吸附光谱, DCC@MoS₂/PrNP/CNTs吸附Li₂S₆前和吸附后的(c) Mo 3d, (d) Mn 2p, (e) S 2p, (f) O 1s XPS光谱。

图 4 (a) DCC/S, (b) DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S的CV图，复合材料在0.2C下的(c) 充放电图, (d) 循环性能图, DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S (e)不同倍率下的充放电图, (f) 倍率性能图, (g)复合材料在0.5C下的循环性能图。

图 5 (a) DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S在1.0C的循环性能图, (b) 红色LED灯被DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S点亮的图片, (c) 不同温度下的Nyquist图, (d) 对应的阻抗随温度变化图, (e) 不同负载下DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S的循环性能图, (f) 与文献中最近的相关报道的面容量比较图。

图6 不同宿主对多硫化锂的吸附转化机理的原理示意图。

【小结】

该工作结合了MoS₂对多硫化锂的强吸附作用和PrNP对多硫化锂的有效催化以及DCC和CNTs形成的高效导电网络等优点，构建了柔性自支撑多功能DCC@MoS₂/PrNP/CNTs/S复合材料，实现了多硫化锂的平稳“抓附-扩散-转化”过程，即使在高硫负载下也能极大地抑制多硫化锂穿梭，使得锂硫电池发挥了好的面容量、高的倍率特性和长的循环寿命。电池在5.2mg/cm²高硫负载下，循环50圈，可逆面容量高达4.75mAh/cm²。即使在1.0C，循环800圈，仍有871mAh/g比容量。该研究为制备应用于可穿戴设备的柔性电极提供了新的方向。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201803134?af=R

【作者简介】

陈曼芳，文章第一作者，湘潭大学化学学院应用化学16级博士研究生，师从王先友教授，主要从事新型化学电源及其相关电极材料的研究工作。曾获2017年博士研究生国家奖学金、湖南省普通高校百佳大学生党员等奖励和荣誉称号。在导师的指导下主持了1项湖南省研究生科研创新项目。以第一作者发表SCI论文8篇，主要发表在国际权威学术期刊如J. Mater. Chem. A，Small，ACS Appl. Mater. Inter.，ChemSusChem，Chem. Eng. J.等杂志上。以导师第一，本人第二身份申请并授权国家发明专利一项。

王先友，文章通讯作者，现任湘潭大学研究生院院长，是首批湖南省二级教授、博士生导师，是国家重点研发计划评审专家、科技部国际合作项目评价专家、享受国务院政府特殊津贴专家，获评为科学中国人（2016）年度人物、首届湖南省先进科技工作者、湘潭市首届科技领军人才、长沙市科技创新领军人才等，h-指数43，自2014年Elsevier出版集团推出高被引中国学者以来，连续4年在能源领域入选高被引中国学者。发表高水平学术论文360多篇，其中SCI收录论文320多篇，10篇论文进入全球ESI前1%，获授权国家发明专利27项。出版了中国第一部锂离子电池专著--《锂离子电池》（合著）。培养了许多优秀的博士和硕士研究生，服务于我国的新能源领域，获湖南省优秀博士毕业论文1篇，湖南省优秀硕士毕业论文6篇。

【优质文献推荐】

湘潭大学王先友教授团队在锂硫电池研究方面取得了一系类研究成果，发表了多篇高水平文章。如正极材料结构设计（ACS Appl. Mater. Inter. 2018, 10, 13562-13572；Chem. Eng. J. 2018, 335, 831-842；J. Mater. Chem. A 2016, 4, 16148-16156；ChemSusChem, 2017, 10, 1803-1812；Chem. Eng. J. 2017, 313, 404-414；ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 7545-7557；J. Electrochem. Soc. 2016, 163, A2922-A2929）、隔膜优化设计（Chem. Eng. J. 2019, 355, 478-486；）等方面。

王先友教授课题组网站http://nem.xtu.edu.cn/