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2025-06-06

导读：长春理工大学董相廷教授&通化师范学院岳斌讲师最新《AFM》！锂离子筛型的锂辉石纳米片与钴负载碳纳米纤维协同构建的中间层助力高性能锂硫电池

长春理工大学董相廷教授&通化师范学院岳斌讲师最新《Advanced Functional Materials》！

锂离子筛型的锂辉石纳米片与钴负载碳纳米纤维协同构建的中间层助力高性能锂硫电池

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文章信息

锂离子筛型的锂辉石纳米片与钴负载碳纳米纤维协同构建的中间层助力高性能锂硫电池

第一作者：李琳

通讯作者：董相廷*, 岳斌*

单位：长春理工大学，通化师范学院

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研究背景

锂硫(Li-S)电池由于具有高能量密度(2600 Wh kg^–1)，高地壳含量，成本低，毒性低等优点是极具开发价值的下一代高能量电池。但由于Li-S电池中硫正极的绝缘特性和反应过程中多硫化物(LiPSs)溶解在电解液中导致不可逆的容量损失即穿梭效应，严重影响了Li-S电池的实际应用。因此，设计功能化隔膜以有效抑制LiPSs穿梭、促进电子/离子传输、加速硫的转化，并最终提高硫的利用率和循环稳定性显得尤为重要。

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文章简介

近日，长春理工大学董相廷教授&通化师范学院岳斌讲师在一区Top期刊《Advanced Functional Materials》上，发表了最新研究成果“Interlayer of Lithium-Ion-Sieving Spodumene Nanosheets Coupled with Co-Loaded CNFs Enables High-Performance Li-S Batteries”。研究者提出了一种新的策略，通过一种简便的电纺技术，将独特的功能化的锂辉石-钴异质结构碳纤维(Spd-Co-CNFs)作为中间层，抑制LiPSs的穿梭效应并增强锂硫电池的反应动力学。锂辉石(Spd)纳米片作为二维层状材料，提供了丰富的Li+通道，能够选择性地促进Li+运输，同时阻挡较大的LiPSs分子，发挥优异的Li+筛分功能。碳纳米纤维提供了充足的电子传输路径，从而降低电池的内阻并提高硫的利用率。此外，钴负载的碳纤维表面有效吸附LiPSs，并催化长链LiPSs转化为短链的Li₂S₂和Li₂S。因此，通过巧妙设计的中间层采用抑制穿梭效应和增强氧化还原反应动力学的双重策略，显著提升了锂硫电池的性能。

图1. Spd-Co-CNFs的结构设计及其与正、负极相互作用的机制示意图

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本文要点

要点一：独特的材料构建

图2. Spd-Co-CNFs、Spd-CNFs和Co-CNFs的形貌与结构特征：(a-c)分别为三种材料的SEM图像；(d) Spd-Co-CNFs中钴负载碳纳米纤维与锂辉石纳米片的尺寸分布；(e) Spd-Co-CNFs的HAADF-SEM图像及C、Co、Al、Si和O元素的EDS面分布；(f-h) Spd-Co-CNFs的TEM和HRTEM图像

对该改性材料进行详细地表征测试后，证明了Spd-Co异质结构的成功构建。

要点二：电化学性能优势体现了异质结构的有效性

图3. 使用不同电极材料装配的(a-c)对称电池测试曲线，(d-f)Li₂S沉积和分解测试曲线

(g-i) 使用不同隔膜组装的锂硫电池的GITT测试曲线。

图4. (a) 使用不同隔膜在0.2 C电流密度下组装的Li-S电池循环性能；(b-d) 使用Spd-Co-CNFs/PP、Spd-CNFs/PP和Co-CNFs/PP作为隔膜组装的Li-S电池在0.2 C下的充放电曲线；(e) 充放电过程中不同电位下的原位EIS测试；(f) 使用Spd-Co-CNFs/PP、Spd-CNFs/PP和Co-CNFs/PP作为隔膜组装的Li-S电池的原位EIS谱图

图5. (a) 使用不同隔膜组装的锂硫电池的倍率性能；(b-d) 使用Spd-Co-CNFs/PP、Spd-CNFs/PP和Co-CNFs/PP作为隔膜组装的锂硫电池在不同电流密度下的充放电曲线；(e) 使用不同隔膜组装的锂硫电池在不同电流密度下的C2/C1比值；使用不同隔膜组装的锂硫电池在(f) 1 C、(g) 2 C和(h) 4 C电流密度下的循环性能图。

在电化学性能测试中，使用Spd-Co-CNFs材料对多硫化物具有更优的催化效果，此外，将其作为改性隔膜组装的锂硫电池均表现出优异的电化学性能。

要点三：DFT理论计算分析了催化机理

图6. DFT计算(a) 差分电荷密度，(b) 态密度，(c) 对不同多硫化物的吸附能，(d) Spd-Co对不同多硫化物吸附的位点分析和 (e) 不同催化剂对多硫化物转化反应的吉布斯自由能变。

图7. Spodumene(a) 存在的锂离子扩散路径，(b) 与LiPSs分子的晶格尺寸比较，(c) Spd-Co-CNFs/PP抑制多硫化物穿梭效应的机理示意图。

为了分析Spd-Co异质结构对多硫化物的催化转化作用，使用DFT理论计算了在不同催化剂界面，多硫化物转化反应的吉布斯自由能变。结果表明，在Spd-Co异质结构表面，多硫化物转化反应需要克服的能垒最小，为0.99 eV, 有效地催化了多硫化物的转化反应。此外，锂辉石纳米片作为锂离子筛具有丰富的锂离子扩散路径，可以允许锂离子快速通过，阻挡多硫化物的穿梭。

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文章链接

Interlayer of Lithium-Ion-Sieving Spodumene Nanosheets Coupled with Co-Loaded CNFs Enables High-Performance Li-S Batteries

https://doi.org/10.1002/adfm.202502945

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通讯作者简介

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., Matter, Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., Renew. Energ., 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500余篇，D指数44（Research. com）;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。

通化师范学院-岳斌讲师为该项研究的通讯作者。通化师范学院化学学院讲师，博士。2024年于长春理工大学材料与科学学院获得工学博士学位，现主要研究方向为：锂硫电池，锂离子电池和超级带容器电极材料设计与开发。主持吉林省自然科学基金等多个项目。以第一作者和通讯作者在Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., Small, Colloid Interf. Sci.等国际重要期刊发表论文20余篇，包括ESI1%论文1篇。