湖北大學(xué)王賢保教授課題組與德國達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)Jan Philipp Hofmann教授課題組合作報(bào)道了簡單熱處理法制備的花瓣?duì)頦S2@C復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于鋰硫電池的隔膜改性。結(jié)合基礎(chǔ)分析與完整電化學(xué)測試，研究發(fā)現(xiàn)所得產(chǎn)物作為隔膜涂層，能使鋰硫電池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。同時(shí)，其獨(dú)特的制備方式不僅緩解了材料自身的團(tuán)聚問題，也提高了兩種單一物質(zhì)的復(fù)合兼容性，進(jìn)而發(fā)揮出最大程度的協(xié)同功效。
圖1 （a）WS2與（b）WS2@C的掃描電鏡圖，（c）WS2@C-PP的工作機(jī)理示意圖 過渡金屬硫化物因其優(yōu)異的電催化特性與極性表面，在鋰硫電池領(lǐng)域備受關(guān)注。WS2在其中具有相對(duì)較高的導(dǎo)電性，同時(shí)，獨(dú)特的開放層狀結(jié)構(gòu)與邊緣催化選擇性為其提供了豐富的活性位點(diǎn)。具有高導(dǎo)電性，且易于改性與復(fù)合的碳材料，已廣泛地以各種形式應(yīng)用于鋰硫電池中。相較于此前的許多工作（將商用WS2與碳材料進(jìn)行機(jī)械混合），湖北大學(xué)王賢保教授課題組先制備出具有花瓣?duì)钚蚊驳腤S2 (圖1a)，再通過一步熱處理法將兩者“有機(jī)”結(jié)合 (圖1b)。具有三維開放結(jié)構(gòu)的WS2可暴露出更多的有效活性位點(diǎn)，而碳層以一種微小間隔方式，緊密、均勻地包覆于其上，最大程度地實(shí)現(xiàn)了化學(xué)吸附、電催化與導(dǎo)電性的協(xié)同。該物質(zhì)在電池的反應(yīng)過程中，可有效緩解中間產(chǎn)物（可溶性多硫化鋰）造成的活性物質(zhì)損耗與負(fù)極腐蝕等弊端，也因三維包覆結(jié)構(gòu)，避免了活性物質(zhì)在不必要的轉(zhuǎn)移路徑（吸附位點(diǎn)至反應(yīng)活性位點(diǎn)）中的消耗。與此同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，碳層作為一種間隔層，阻止了WS2自然的層間堆疊與團(tuán)聚，進(jìn)而得到致密、均勻且穩(wěn)定的WS2@C復(fù)合涂層。 圖2 (a) 四種隔膜在0.1C下循環(huán)300圈的電化學(xué)性能；(b) WS2@C-PP在1C下500圈的長循環(huán)性能 一系列電化學(xué)測試結(jié)果證實(shí)了WS2@C對(duì)傳統(tǒng)聚丙烯（PP）隔膜的優(yōu)異的改性效果。根據(jù)圖2a可知，以WS2@C-PP作為隔膜的鋰硫電池，在0.1C的循環(huán)倍率下，擁有1475 mAh g-1的初始放電容量，并在1C下的500圈循環(huán)中衰減得十分緩慢（0.07%/圈）。圖2b中比較了WS2@C-PP與C-PP作為電池隔膜時(shí)，在0.1C倍率下循環(huán)100圈后的掃描電鏡圖像，其中可以明顯發(fā)現(xiàn)，前者的表面完整、致密、無裂縫，反映了WS2@C涂層優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性能。 圖3 循環(huán)后(a)WS2@C-PP與(b)C-PP表面的電鏡圖，以及(c)相應(yīng)的能譜分析圖 論文信息 A multi-functional separator for Li-S batteries: WS2@C nanoflowers catalyze the rapid recycling of lithium polysulfides by polar attraction Fanxuan Xie, Man Xiong, Jiapeng Liu, Jingwen Qian*, Tao Mei, Jinghua Li, Jianyin Wang, Li Yu, Jan P. Hofmann, Xianbao Wang* 解凡萱和熊曼為文章共同第一作者，錢靜雯博士和王賢保教授為文章共同通訊作者 ChemElectroChem DOI: 10.1002/celc.202200474
