近日，我校信息光电子科技学院博士生王加义与青年教师罗丹博士为第一作者在国际能源储存领域权威期刊《Advanced Energy Materials》（SCI影响因子：25.245）和《Nano Energy》（SCI影响因子：16.602）上发表两篇锂硫电池领域高水平原创性研究成果。加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士陈忠伟教授，河北工业大学张永光副教授及华南先进光电子研究院王新副教授为共同通讯作者，我校为第一完成单位。
随着便携式电子设备的不断更新换代，人类对于可充电二次电池的能量密度提出了更高的要求。但是目前商业化的锂离子电池几乎已经开发至理论容量极限，无法进一步满足现代科技日益增长的能源需求，因此开发新的电池体系显得尤为必要。锂硫电池因其低成本，高理论容量和高环境友好性而被认为是未来高能量密度电池体系的理想候选者，受到全世界科研工作者的广泛关注，也是未来世界各国重点布局的研究方向之一。但是锂硫电池的商业化进程仍然受制于一些技术问题，比如硫的室温绝缘性，硫在充放电过程中发生的体积变化和硫的反应中间产物在电解液中的溶解及其穿梭效应等，这些问题使得锂硫电池的循环稳定性和倍率性能无法满足实用化需求。
陈忠伟教授联合王新副教授、张永光副教授共同开发了一种具有三维连续富含氧缺陷的有序多孔Nb2O5-x/CNTs结构材料作为锂硫电池正极硫载体，实现了强多硫化锂固定作用和快速的氧化还原反应动力学。相关研究成果以《Engineering the Conductive Network of Metal Oxide-Based Sulfur Cathode toward Efficient and Longevous Lithium-Sulfur Batteries》发表在《Advanced Energy Materials》(DOI: 10.1002/aenm.202002076)上，论文第一作者为我校在读博士生王加义和滑铁卢大学博士李高然。
图1：a) Nb2O5-x/CNTs的结构和工作机理示意图；b) Nb2O5-x/CNTs的SEM图像；c, d) Nb2O5-x/CNTs的TEM图像；e, f) Nb2O5-x/CNTs的HRTEM图像；g) Nb2O5-x/CNTs的STEM图像和相对应的元素分布。
三维连续的Nb2O5结构为离子、电子传输提供了快速通道，能够实现快速的物质转移。而且Nb2O5骨架上富含的微孔、介孔也为反应的发生提供了丰富的活性位点。此外，作者在研究过程中还发现引入的碳纳米管不仅能够提升Nb2O5框架的电导率，还因碳的还原性而提升了Nb2O5的氧缺陷含量。理论计算和实验结果表明，氧缺陷的引入使得Nb2O5对于多硫化物的吸附能力显著提高，还能够催化多硫化物的氧化还原反应，实现快速的反应动力学。基于上述优势，使用Nb2O5-x/CNTs硫正极组装得到的锂硫电池实现了高循环稳定性（在1C的测试条件下经过500圈循环后放电比容量仍能保持847 mAh g−1），优异的倍率性能（在5C的测试条件下表现出741 mAh g−1的放电比容量），即使在6 mg cm−2的高载硫量条件下也能保持6.07 mAh cm−2的面容量。这项工作的设计合理地结合了结构设计和缺陷工程，为锂硫电池的设计提供新的思路和见解，同时也启发其他相关储能和转换领域的目标材料设计。
此外，陈忠伟教授联合王新副教授、张永光副教授合作开发了一种具有精细多级结构，分层导电网络和多反应活性位点的锂硫电池正极材料，相关研究成果以《“Soft on Rigid” Nanohybrid as the Self-supporting Multifunctional Cathode Electrocatalyst for High-performance Lithium-Polysulfide Batteries》发表于《Nano Energy》(DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105293)上，该论文的第一作者为信息光电子科技学院博士生王加义和特聘副研究员罗丹博士。
图2：SEM图像：(a)前驱体，(b) CoOx-TiO2，(c, d) Co-TiO2-x/CNF，(e) Co-TiO2-x/CNF的TEM图像；(f) Co-TiO2-x/CNF的高分辨率TEM图像；(g, h)所选区域FFT模式、反FFT模式和晶格间距图像；(i-l) Co-TiO2-x/CNF的高分辨率元素分布图像。
该工作通过静电纺丝法与气相沉积法相结合制备出由硬质的Co-TiO2-x纤维和软质的碳纳米纤维组成的“刚柔并济”复合型柔性硫正极，具有足够的柔韧性和高比表面积，可作为自支撑正极集流体和硫载体使用。此外研究者在TiO2纤维中进一步引入了氧空位构建了大量的活性位点，还创新性地采用Co团簇修饰缺陷TiO2纤维来调控其能带结构，通过缺陷工程和能带工程的协同耦合机制调节TiO2的电子结构、离子输运能力和多硫化物的吸附能力及催化的反应能垒，从而显著提高了多硫化物的催化转化能力，增强锂硫的反应动力学。此外，碳纳米纤维的存在和独特的混合纤维结构设计极大地提高了复合材料整体的电子电导率及硫的利用率。基于这些优势，所制备的锂硫电池表现出优异的倍率性能（3C条件下放电容量为743 mAh g-1），良好的循环稳定性(0.1C条件下100圈循环后放电容量仍能保持1227 mAh g-1)，并且在高硫负载量（7.8 mg cm-2）下经过100圈循环后仍具有4.8 mAh cm-2的面容量。此外，工作中还通过DFT理论计算全面解释了电子结构调节机制和多硫化锂吸附催化反应机理，为后续锂硫电池研究与结构设计提供了可靠的实验参考和理论借鉴。
文章链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202002076
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105293
作者/通讯员: | 来源:信息光电子科技学院 | 编辑:华维勇
