01
引言
鋰硫電池（LSBs）具有2600 W h kg−1的極高比能量和1675 mA h g−1的理論比容量。其作為一種很有前途的新型電化學電源，具有理論能量密度高、成本低、環境友好等優點。遺憾的是，LSBs的商業化仍然受到多硫化物的穿梭效應和緩慢的反應動力學的阻礙，這會導致活性材料的不可逆損失、鋰金屬負極的腐蝕以及電池內阻的增加，最終導致電池短路，循環壽命和低庫侖效率。金屬化合物複合碳基中間層作為隔膜修飾層不僅能夠緩解碳材料極性差的問題，而且可以增強物理和化學吸附，改善多硫化物催化轉化的反應動力學而不影響隔膜的快速傳質和電荷轉移等。因此，碳材料和金屬基催化劑的複合物在電池應用過程中具有捕獲和進一步轉化多硫化物的雙重功能，這意味着該方法是抑制多硫化物穿梭效應的可行解決方案。為此，研究者合理設計並構建了一種具有花狀結構的鹼式碳酸鉍（Bi2O2CO3）材料，並使用與導電碳（DC）混合的作為LSBs中硫陰極的阻擋層。利於Bi2O2CO3（BOC）納米花內部的強電場，在BOC表面誘導宏觀電荷，導致外部環境中的大量極性分子被化學吸附在表面上，以屏蔽這些表面電荷，從而增強多硫化物捕獲策略來解決穿梭效應。同時，阻擋層對多硫化物表現出強烈的催化作用。
02
成果展示
近期，溫州大學王舜副校長、陳錫安教授和郭大營博士開發了一種具有強內電場的花狀結構鹼式碳酸鉍（Bi2O2CO3）材料用於提高多硫化物捕獲和催化解決鋰硫電池「穿梭效應」的簡單策略。該策略將Bi2O2CO3（BOC）引入到導電碳中（BOC+DC）作為活性物質硫陰極的阻擋層，以實現高性能LSBs。實驗結果和理論計算證明BOC內部存在強電場可以實現對LiPS的有效吸附、促進多硫化物催化轉化。在高電流密度下5C下實現719 mA h g−1的高可逆性比容量。在1C下550次循環後庫侖效率保持在99%以上，每圈容量衰減率僅為0.0438%。相關論文以「Strong internal electric field enhanced polysulfide trapping and ameliorates redox kinetics for lithium-sulfur battery」發在Journal of Energy Chemistry上。
03
圖文導讀
在本工作中，通過水熱法合成具有強內電場的花型鹼式碳酸鉍（BOC）,並通過改變水熱反應時間調控BOC的生長過程控制內部缺陷程度。藉助透射電鏡、XRD及Rietveld method擬合、Raman和理論計算等手段，證明了BOC中存在強內電場。
所製備BOC內部具有強內部電場，在BOC表面誘導宏觀電荷，導致外部環境中的大量極性分子被化學吸附在表面上，從而增強多硫化物捕獲策略來解決穿梭效應。同時，阻擋層對多硫化物表現出強烈的催化作用。通過吸附實驗、循環伏安、對稱電極和硫化鋰沉積等實驗中，證明具有強內電場的花型BOC材料複合在導電碳中能夠作為插層能夠有效吸附多硫化物和加速多硫化鋰轉化。
為此，所設計的插層膜在高電流密度5C時，實現了713 mA h g−1的高比容量。在電流密度1 C時，循環550圈之後，放電比容量維持在719 mA h g−1高可逆性容量，每圈循環僅衰減0.044%。更重要的是，在5.1 mg cm−2的硫載量下，200次循環後面積比容量保持在4 mA h cm−2，每圈衰減率僅為0.056%。
04
小結
我們設計的具有強內電場的花型結構BOC材料與導電碳作為鋰硫電池插層膜顯示出優異的電化學性能。該BOC可以利用其強內電場有效地吸附多硫化物，並且Bi金屬中心顯示出優異的催化活性來加速硫物質的氧化還原反應。正如預期的那樣，作為插層膜組裝的電池在硫利用率、反應動力學和容量保持率方面表現出明顯的提高。這項工作提供了一種新的多硫化物捕獲策略，以克服多硫化物穿梭，從而提高LSBs性能。此外，由於其操作簡單、成本低且易於與當前的商用電池製造工藝無縫耦合，該方法在高性能電池的應用中顯示出巨大的潛力。
文章信息
Strong internal electric field enhanced polysulfide trapping and ameliorates redox kinetics for lithium‒sulfur battery
Bin Yang, Jinyi Wang, Yuheng, Qi, Daying Guo*, Xueyu Wang, Guoyong Fang, Xi』an Chen*, Shun Wang*
Journal of Energy Chemistry
DOI:10.1016/j.jechem.2022.10.045
作者信息
王舜，博士，教授，博士生導師，溫州大學甌江特聘教授，溫州大學副校長。Carbon Energy主編、英國皇家化學會會士、國家百千萬人才工程、國家有突出貢獻中青年專家。長期致力於面向高效能量儲存與轉化的碳基和碲基三維超結構納米材料的原創性設計、製備、多尺度結構與性能關係的基礎科學研究和應用探索。以第一/通訊作者發表SCI論文180多篇，其中影響因子>20的11篇，>10的45篇，總引用次數5300多次，h因子42。
陳錫安，博士，教授，博士生導師，溫州大學甌江特聘教授，溫州大學化學與材料工程學院副院長。主要從事石墨烯、碳納米管等碳基納米複合材料可控制備及在電化學能源、催化中的應用研究。先後主持國家級項目3項、省級項目3項。近年來，已在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等國內外學術期刊上發表70餘篇研究論文，論文被引4000餘次。
郭大營，博士。2017年6月畢業於溫州大學化學專業，獲理學碩士學位，2020年6月畢業於中山大學材料科學與工程專業，獲工學博士學位，師從奚斌教授。2020年9月起在溫州大學化學與材料工程學院工作。主要從事原子層沉積（ALD）工藝開發及其在新能源存儲與轉化方面的研究。迄今在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等SCI期刊上發表論文30餘篇，獲授權中國發明專利5項。
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