北京理工大学吴锋院士-谭国强教授团队ESM：共价异质结构限域与电催化协同实现高效稳定的锂−硫电池- 大数跨境

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北京理工大学吴锋院士-谭国强教授团队ESM：共价异质结构限域与电催化协同实现高效稳定的锂−硫电池

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2025-07-28

导读：北京理工大学吴锋院士-谭国强教授团队ESM：共价异质结构限域与电催化协同实现高效稳定的锂−硫电池

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文章信息

共价异质结构限域与电催化协同实现高效稳定的锂−硫电池

第一作者：王彤

通讯作者：谭国强，曹金晖

单位：北京理工大学，湖南大学

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研究背景

硫化锂（Li₂S）作为一种高容量含锂正极具有广阔的应用前景，可以避免使用金属锂来构建下一代电池以取代现有的锂离子电池。然而，Li₂S基正极的发展一直受到固有缺陷的阻碍，包括高激活能垒、低电导率和严重的结构退化，导致Li₂S基锂离子电池的电荷过电位高、倍率能力差、容量衰减快。为了解决这些问题，需要对Li₂S基材料进行合理的材料与结构设计。大量研究工作集中于导电材料包覆、氧化还原介质引入等。但是如何构建一种兼具限域与电催化作用的Li₂S基正极仍有待解决。

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文章简介

近日，北京理工大学吴锋院士-谭国强教授团队在国际知名期刊《Energy Storage Materials》上发表题了为“Highly synergistic electrocatalysis and confinement of covalently bonded heterostructures enable high-efficient-stable Li−S batteries”的研究论文。在这项研究中，开发了一种两步化学环化涂层的方法来构建Li₂S@cPAN纳米胶囊结构。首先利用机械化学环化机制，通过Li₂S与PAN球磨实现Li₂S的纳米尺度设计，同时构建共价键合的Li₂ScPAN异质结构。然后利用热化学环化策略，实现Li₂ScPAN的二次cPAN层构建，从而得到结构稳定的Li₂S@cPAN纳米胶囊结构复合材料。优化后的Li₂S@cPAN正极实现了激活电位的显著降低（2.7 V）、输出容量的大幅度提高（730 mAh g⁻¹，0.5 C）和优异的循环稳定性。

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图文导读

图1. (a) Li₂S吸附在碳、cPAN(N2)和cPAN(N3)表面的优化模型的俯视图和侧视图；电荷差分密度图和对应的截面图(黄色和蓝色分别表示电荷流入和流出); (b) 碳、cPAN(N2)和cPAN(N3)对Li₂S、Li₂S₄、Li₂S₆的吸附能汇总; (c) Li₂S₆可视化吸附实验及对应的UV-vis光谱图; (d) Li⁺在Li₂S和Li₂S-cPAN模型上的扩散路径及迁移能垒。

图2. (a) Li₂S−cPAN@cPAN复合材料的合成示意图; (b-d) 不同球磨比例下合成的Li₂S−cPAN复合材料的SEM图; (e) Li₂S−10cPAN的TEM图; (f-h) 不同二次包覆比例的Li₂S−cPAN@cPAN复合材料的SEM图; (i) Li₂S−10cPAN@20cPAN的TEM图；(j) Li₂S−10cPAN的HRTEM图像、FFT模式和晶格间距分布图；(k) Li₂S−10cPAN的选取衍射环；(l) Li₂S−10cPAN的元素分布图。

图3. (a) Li₂S−cPAN样品的XRD图谱; (b) Li₂S−cPAN@cPAN样品的XRD图谱；(c)拉曼光谱图; (d) 红外光谱图; (e) N1s的XPS图谱; (f) 碳、cPAN(N2)和cPAN(N3)的TDOS曲线; (g) Li 1s的XPS图谱; (h) 热重测试曲线; (i) BET图。

图4. (a-c) Li₂S、Li₂S−10cPAN、Li₂S−10cPAN@20cPAN电极的不同扫速下的CV曲线; (d-f) CV曲线对应的峰值电流（Ip）与扫描速率平方根（v0.5）的拟合图; (g) Li₂S在cPAN(N3)、cPAN(N2)和碳基体上解离的结构演化模型及能垒。

图5. (a) 0.1 C下Li₂S、Li₂S−10cPAN、Li₂S−10cPAN@20cPAN正极的初始充电曲线; (b) 三种正极在0.1 C下的第二次充放电曲线对比图；(c) 根据(b)图计算得到的ΔQ2/ΔQ1; (d) EIS图; (e) 倍率性能对比图; (f) Li₂S−10cPAN@20cPAN的倍率充放电曲线; (g, h) 循环性能对比图; (i)原位拉曼测试示意图; (j, k) 使用Li₂S和Li₂S−10cPAN@20cPAN正极的电池在放电过程中负极侧的原位拉曼测试光谱图。

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研究结论

在这项研究中，我们提出了一种化学环化交联策略，构筑了Li₂S@cPAN核壳纳米复合材料。该复合材料内部由Li−N异质结共价键合，外部由弹性且致密的cPAN壳层保护，协同实现对Li₂S的催化和限域效应。系统研究表明，Li₂S@cPAN复合材料具备快速电子/离子传输能力，其弹性外壳可以有效适应体积变化并限制多硫化物穿梭，Li−N异质结构显著促进了Li₂S分解和多硫化物的转化，实现了Li₂S的超高利用率。这种结构设计优化了Li₂S的结构、电化学稳定性和电学性能，特别是对Li₂S的协同电催化和限域效应，使其在Li−S电池中具有良好的电化学性能。这种简单的表面工程有效地解决了Li₂S的固有难题，使Li₂S基复合材料具有商业化应用的潜力。