西安交大研究人员在锂硫电池领域取得多项进展

锂硫电池凭借着独特的氧化还原反应储能机制，表现出超高的理论质量比容量（1675 mAh g-1）和功率密度（2600 Wh kg-1），从而被认为是极具竞争力的下一代储能电池。但是，单质硫在氧化还原反应过程中产生的多硫化锂容易溶解于有机电解液，在充放电过程中穿梭于正负极之间，并对金属锂负极具有腐蚀危害影响。因此，限制多硫化锂的扩散和穿梭，使其快速转化反应是获得高性能锂硫电池的关键。

针对这一问题，材料学院柳永宁教授课题组对锂硫电池电化学性能和吸附催化机理进行了改善和研究。

课题组通过调控氧空位来促进氧化铟在锂硫电池中的催化活性。该研究中，利用In2O3和葡萄糖在水热条件下反应，制备具有氧空位的In2O3-x与碳球（CS）的复合物。通过改变葡萄糖的量可以控制In2O3-x表面氧空位的强度从而达到调控氧空位的目标。将制备的材料与石墨烯复合并抽滤到电池隔膜上来研究其对多硫化锂穿梭效应的抑制效果。在国际知名期刊《储能材料》(Energy Storage Materials, IF=17.79)上发表题为《调控氧空位来实现锂硫电池中氧化铟的高催化活性》（Facilitating Catalytic Activity of Indium Oxide in Lithium-Sulfur Batteries by Controlling Oxygen Vacancies）的文章。该观点文章分析了不同浓度氧空位对锂硫电池性能的影响，并深入研究了氧空位对多硫化锂的吸附催化机理。本文第一作者为邹坤洋博士，共一为陈新星硕士。柳永宁教授与陈元振副教授为本文通讯作者。

a、水热还原法制备具有氧空位的In2O3-x与碳球复合物的示意图

b、c、不同氧空位浓度的In2O3-x与碳球复合物的EPR和XPS测试

为了从正极上改善多硫化锂的扩散问题，课题组通过SiO2模板法利用无氮源的有机物作为前驱体，过硫酸铵作为氧化剂制备了高规整且均匀的氮、氧共掺杂蜂窝碳（N/O-HC）作为锂硫电池硫载体。研究了不同碳化温度下N/O-HC的形貌结构以及相应的电化学性能，分析了充放电过程中载体对多硫化物穿梭效应的限制和锂负极保护作用。另一方面，通过DFT计算分析了N、O杂原子对多硫化锂的吸附机理、吸附能力以及协同吸附的效果。在国际知名期刊 Small（IF=13.28）上发表题为中文名《氮/氧共掺杂蜂窝碳提升锂硫电池高效硫载体》(A Highly Efficient Sulfur Host Enabled by Nitrogen/Oxygen Dual-Doped Honeycomb-Like Carbon for Advanced Lithium–Sulfur Batteries)的文章。本文第一作者为邹坤洋博士。柳永宁教授与刘艳助理教授为本文通讯作者。

氮、氧掺杂蜂窝碳的制备示意图

课题组还构建了一种基于樟子松生物质管道的限域型碳基体与缺陷型钙钛矿（LaNiO3-x）复合结构。这种自支撑复合结构具有载硫、集流一体化功能，可以省去传统正极制备过程中的混料、涂料、裁片等工艺。此外，凭借于垂直且独立的管道结构，该复合结构能够在横向方向绝对的防止多硫化锂扩散。另一方面，基于LaNiO3-x表面氧空位对多硫化锂的快速捕捉和催化转化能力，该复合结构对多硫化锂的纵向扩散也具有强列的抑制作用。因此，搭载这种复合电极的锂硫电池表现出超高的循环稳定性（S：4.4 mg cm-2，电流：0.5 C，容量保持率：99 %）和高面积比容量（S：11.6 mg cm-2，面积比容量：8.5 mAh cm-2）。该工作以《多约束几何缺陷工程助力硫正极》（Defect Engineering in a Multiple Confined Geometry for Robust Lithium–Sulfur Batteries）发表在国际顶级期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials，IF：29.368）上。本文第一作者为邹坤洋博士，共一为安徽大学周腾飞教授。西安交通大学陈元振、柳永宁教授与澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授为共同通讯作者。

复合电极（GP/CNT/LNO-V-S）的制备示意图

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.03.003

https://doi.org/10.1002/smll.202107380

https://doi.org/10.1002/aenm.202103981