华侨大学、中国科学院福建物质结构研究所，最新CEJ

第一作者：汪璇、陈慧鑫

通讯作者：卢灿忠*、谢奕明*

通讯单位：华侨大学、中国科学院福建物质结构研究所

台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠 正品保证 科研必备！

锂硫电池与传统的锂离子电池相比，具有较高的理论比容量（1675 mAh·g⁻¹）和理论能量密度（2600 Wh·kg⁻¹），并且硫储量丰富，价格低廉。但锂硫电池的穿梭效应、硫的低电导率、放电过程的体积膨胀等因素造成糟糕的循环稳定性和倍率性能、严重的活性物质损失。为了解决上述问题，人们研究出的相应策略主要包括正极、隔膜的功能设计和合成，用于吸附和阻断穿梭，促进对LiPSs的氧化还原。目前，利用多功能碳材料调控穿梭、促进LiPSs催化反应的改性隔膜和高硫宿主材料的构建已成为主流趋势。多功能碳材料应具有多种优势，包括具有导电性好、孔隙丰富、比表面积大来物理/化学吸附LiPSs，充分暴露催化活性位点，加快Li⁺转移/扩散。不幸的是，大多数改性材料只能达到一个或者两个优质的效果，难以既能保证具有高的放电比容量，又能有效减慢LiPSs的氧化还原动力学，这些问题限制了Li–S电池的商业化。

基于此，华侨大学谢奕明教授课题组联合中国科学院福建物质结构研究所卢灿忠研究员团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Two-in-one linkage reaction of aloe vera peel-derived porous carbon in lithium–sulfur batteries for synergistic enhancement of performance and stability”的研究文章。该文章报道了一种以芦荟皮为原料，通过简单水热反应和KOH蚀刻法分别合成了Co@AVP隔膜改性材料和KOH@AVP硫宿主材料。将其集成至锂硫电池后，可双向吸附多硫化锂，暴露更多催化活性位点并将其锚定在正极。原位X射线衍射（XRD）和理论计算证实钴纳米颗粒会转化为Co₉S₈，从而加速多硫化锂的催化转化并改善氧化还原动力学性能。该电池在4 C倍率下展现出891 mAh g⁻¹的卓越容量，在0.1 C倍率下循环200次后仍保持984 mAh g⁻¹容量。即使在1 C倍率下循环800次后，放电容量仍达590 mAh g⁻¹，单次循环平均容量衰减率仅为0.057%。这表明电池具有优异的倍率性能和循环稳定性。该结构设计显著缓解了多硫化锂的穿梭效应，同时优化了氧化还原反应动力学，从而推动了高能量密度锂硫电池的发展。

本研究通过系统的实验验证了材料对多硫化锂（LiPSs）的吸附与催化性能。首先采用紫外-可见吸收光谱和视觉吸附实验证实，Co@AVP和KOH@AVP材料对LiPSs表现出显著的物理吸附能力。进一步通过h型电解槽渗透测试发现，Co@LHP//PP改性隔膜对LiPSs扩散的抑制效果显著优于传统PP隔膜，有效缓解了穿梭效应。为深入探究催化机制，构建了对称电池体系并开展Li₂S成核实验。实验结果表明，Co@AVP改性隔膜与KOH@AVP正极材料具有协同催化效应：一方面通过强物理吸附固定LiPSs，另一方面显著加速LiPSs的氧化还原动力学。这种双重作用机制使电池体系展现出优异的LiPSs转化效率，为开发高性能锂硫电池提供了重要理论依据。

为验证双向催化体系提升硫利用率的作用，本研究对比了四种Li-S电池的电化学性能。KOH@AVP/S//Co@AVP//PP电池展现出最优异的倍率性能（0.1C至4C容量1501-891 mAh·g⁻¹）和循环稳定性（在1C下800次循环容量衰减率仅0.057%）。通过GCD、GITT和EIS测试证实，该体系通过Co活性位点和高孔隙结构协同促进LiPSs催化转化，降低极化（ΔV最小0.152 V），有效地抑制穿梭效应。

原位XRD分析揭示了Co@AVP//PP隔膜中Co纳米颗粒在充放电过程中转化为稳定的Co₉S₈活性中心（特征峰25.54°/29.94°）。通过Lewis酸碱理论证实Co₉S₈与多硫化物形成Co–S键（XPS验证），DFT计算显示Co₉S₈(311)晶面对Li₂S₄/Li₂S₆具有强化学吸附（吸附能分别为−4.78/−5.21 eV），且在Li₂S₄→Li₂S₂限速步骤中仅需克服0.46eV能垒，显著促进了多硫化物的快速催化转化。充放电过程中α-S8→LiPSs→Li₂S的相变轨迹与非原位XRD结果一致，证实了Co₉S₈作为持久活性中心的有效性。

Two-in-one linkage reaction of aloe vera peel-derived porous carbon in lithium–sulfur batteries for synergistic enhancement of performance and stability