长春理工大学董相廷教授最新CEJ！通过“3+1”模式锚定与催化作用耦合微反应器实现高性能的锂硫电池

锂硫电池，凭借超高能量密度、资源丰富、成本低、更环保等优势，被视为下一代储能技术的“明日之星”。然而，其实际应用却面临两个关键难题：多硫化物转化反应动力学慢和穿梭效应导致的不可逆容量损失。如何破局？功能化隔膜是制胜法宝！理想的隔膜不仅要能强力“拦截”穿梭的多硫化物，更要能“催化”其快速转化，一箭双雕解决反应慢和容量衰减问题。攻克这一核心技术，锂硫电池才能真正“飞入寻常百姓家”。

近日，长春理工大学董相廷教授团队在一区Top期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Rationally designed and facilely constructed CoFe₂O₄@SiO₂ yolk@shell heterostructure spherical jars as interlayer achieve high-performance Li‒S batteries via “3 + 1” modal anchoring & catalyzing coupled with microreactor”。研究者巧妙地将电喷雾粒子化技术和空气中的氟化技术相结合，成功制备出了CoFe₂O₄@SiO₂ 蛋黄@壳异质结构球形罐（YSHSJs）。将设计好的CoFFe₂O₄@SiO₂ YSHSJs用作中间层，对聚丙烯（PP）进行改性，从而获得理想的Li-S电池改性隔膜。为了深入了解CoFe₂O₄@SiO₂ YSHSJs对多硫化锂的作用机制，研究人员借助DFT理论计算，对其锚定和催化转化多硫化锂转化的过程进行了探索。令人惊喜的是，CoFe₂O₄@SiO₂ YSHSJs中的三重成分（SiO₂壳、CoFe₂O₄蛋黄、SiO₂壳）与CoFe₂O₄@SiO₂ 异质结构协同作用，展现出了一种强大的、连续有序的多硫化锂锚定和催化转化模式，即“3+1”模式锚定&催化。精心构建的蛋黄@蛋壳微反应器将CoFe₂O₄蛋黄和CoFe₂O₄@SiO₂异质结构包裹在SiO₂壳内，这种结构增加了多硫化锂与活性位点之间的碰撞概率，从而确保了对多硫化锂的高效催化和锚定。为了更科学地评估中间层的有效性，研究者们提出了一个新的概念——中间层效能评估指标（IEAI），并且提出了质量-厚度双参数指数（M-T指数）及其计算公式，为这一指标的量化提供了方法。M-T指数的建立，为评估中间层的有效性提供了一种定量方法，推动了锂硫电池技术的标准化进程，也为中间层的设计提供了高效的理论和技术指导。

1. 初始加热阶段：残留DMF挥发促使TEOS迁移至复合微球表面，乙酰丙酮盐阴、阳离子与PVP链结合，初步构建了盐/PVP@TEOS结构。

2. 温度升高阶段：过量NH₄HF₂分解释放气体，HF与水蒸气反应形成氢氟酸，催化TEOS水解形成致密SiO₂壳，强化蛋黄@壳结构。乙酰丙酮盐和PVP分解，复合微球收缩形成空隙，挥发性气体使内部压力升高，气体逸出形成球形罐状结构。乙酰丙酮盐高温分解产生Co₃O₄和Fe₂O₃，高温下进一步反应形成CoFe₂O₄微粒。

3. 结构保护措施：采用双坩埚系统隔开复合微球和NH₄HF₂，防止结构被破坏；活性炭颗粒与氧气反应生成CO，促进Co₃O₄和Fe₂O₃反应形成CoFe₂O₄。

在对改性材料进行了详细的结构和形貌表征测试后，证明了CoFe₂O₄@SiO₂ YSHSJs蛋黄@蛋壳异质结构球形罐的成功构建。

电化学性能的显著优势，有力地彰显了CoFe₂O₄@SiO₂ YSHSJs基于成分与结构设计所衍生出的锚定与催化双重协同作用的有效性，凸显了该设计策略在提升电池性能方面的关键作用。

在中间层效能的评价过程中，除了质量，中间层的厚度值也是一个重要参数，会影响夹层的有效性。为了准确系统地评估夹层的效能，提出了中间层效能评估指标（IEAI）的新概念，并进一步提出了质量-厚度双参数指数（简称M-T指数）来量化IEAI，以计算中间层的效能。通过归一化中间层相对于PP隔膜的质量和厚度，使用放电容量（C）或放电容量衰减率（AR）计算特定的M-T指数。

2. M-T index（AR）：基于容量衰减率直接计算。反映中间层对电池循环稳定性的影响。M-T index（AR）指数越小，电池循环稳定性越高，中间层有效性越好。突出中间层对电池循环稳定性的增强效果。

1. 为了分析，使用DFT计算了CoFe₂O₄@SiO₂ YSHSJs中各组分与异质结构对多硫化物的锚定和催化转化作用，主要包括多硫化物的吸附能和转化反应的吉布斯自由能变。

长春理工大学-董相廷教授为该项研究的通讯作者。长春理工大学化学与环境工程学院教授，博士，博士生导师。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文300余篇；获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。

长春理工大学-在读博士生包莹莹为该项研究成果的第一作者。该设计理念和yolk@shell微米反应器材料制备技术对开发多功能锂硫电池改性隔膜材料具有重要作用。制备的CoFe₂O₄@SiO₂/PP作为改性的隔膜组装的锂硫电池在各项电化学测试中均表现出更优的性能，有较广阔的开发空间。提出的中间层效能评估指数IEAI和M-T指数建立了一种定量评价夹层效能的方法，推进了锂硫电池技术的标准化，为中间层设计提供了有效的理论和技术指导。