兰州理工大学&宁波大学，CEJ：W-W2C@C异质结构中的自发内置电场：加速锂硫电池中Sn2-的定向迁移

第一作者：贾赫男

通讯作者：贾赫男*，刘卯成*，阮殿波*

单位：兰州理工大学，宁波大学

锂硫电池因其成本效益低、理论比容量高以及能量密度高等优点，被认为是最有前途的储能技术之一。然而，多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应和缓慢的氧化还原反应动力学严重阻碍了锂硫电池的商业化。异质结构可以通过吸附和催化的协同作用来解决上述问题。然而，溶解在电解液中的长链LiPSs往往会聚集，导致硫利用率低并阻止动力学转换，因此，有必要调节S_n^2-的扩散，以实现其从吸附剂到催化剂的定向扩散。然而，促使S_n^2-定向迁移的设计原则尚未明确。

基于此，来自兰州理工大学的贾赫男副教授和刘卯成教授与宁波大学的阮殿波教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Spontaneous built-in electric field in W-W₂C@C heterostructure: accelerating S_n^2- directed migration in Li-S batteries”的研究文章。该研究文章通过理论筛选设计了由吸附能力强、功函数高的W，以及催化活性好、功函数低的W₂C组成的W-W₂C@C异质结构。这种异质结构利用功函数的差异，控制着界面内置电场的方向，实现了S_n^2-从吸附剂W到催化剂W₂C的定向迁移，从而实现了连续的“捕获-定向迁移-转化”反应机制，以此来提高了锂硫电池中硫的利用率并加速氧化还原反应动力学过程。

通过水热法和控制碳化温度获得了具有核壳结构的W-W₂C@C 异质结，并将其用于改性隔膜。W 对LiPSs表现出强亲和力，能够显著降低穿梭效应。W₂C表现出优异的催化活性，提高LiPSs催化转化率。我们设计和制备的W-W₂C@C 异质结构结合了W和 W₂C的优点，同时通过异质结构界面的内置电场将W吸附的LiPSs定向迁移到W₂C。

紫外-可见分光光度法、XPS、H型扩散实验测定了W-W₂C@C对LiPSs的吸附能力。

从W和W₂C之间的接触模型来看，具有不同功函数值的W和W₂C接触时会产生电子流，直到两种材料的功函数能级达到平衡。在W-W₂C异质结构界面处产生从W指向W₂C的内置电场(BIEF)。此外，在电场作用下，BIEF促进带电S_n^2-的积累和定向扩散。因此，吸附在W上的S_n^2-在BIEF的作用下可以定向迁移到W₂C侧。这些定向迁移的S_n^2-通过异质结界面到达W₂C侧，进一步增强电催化活性并加速LiPSs转化反应，从而产生连续的“捕获-定向迁移-转化”过程。该工艺提高了硫的利用率，并促进了硫的双向转化。

采用计时电流法研究了不同样品在Li₂S成核/溶解过程中的优势。W-W₂C@C的Li₂S沉积能力和分解能力均高于W@C和 W₂C@C，表明W-W₂C@C具有较高的催化活性，促进了LiPSs液固转化为Li₂S，加快了Li₂S的成核和生长速度，有效诱导Li₂S均匀沉积和分解。

W-W₂C@C材料对多硫化物捕获-定向扩散-转化机制如图4所示。首先，N掺杂的碳层增强了导电性并加速了电子和离子的传输，而壳层限制了 LiPSs 的扩散，从而抑制了 LiPSs 的穿梭效应。同时，W 为 LiPSs 的化学吸附提供活性位点，W₂C促进 Li₂S的分解并催化 LiPSs 的转化。W-W₂C@C异质结构可以有效地捕获 LiPSs，催化 LiPSs 转化为 Li₂S₂/Li₂S，并诱导 Li₂S的沉积和分解。此外，W-W₂C@C异质结构界面的 BIEF 促进 S_n^2-的定向转移，实现了 LiPSs 的“捕获-定向迁移-转化”。

Spontaneous built-in electric field in W-W₂C@C heterostructure: accelerating S_n^2- directed migration in Li-S batteries

贾赫男副教授简介：兰州理工大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师。主要从事锂／钠离子电池及超级电容器的电极材料结构的合成及功能化设计，并研究其电化学储能机理。目前，已在国际知名期刊发表SCI学术论文20余篇，两篇入选ESI高被引论文，一篇入选ESI热点论文；主持国家自然科学基金1项，甘肃省青年科技基金1项。

刘卯成教授简介：兰州理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事新型储能材料设计与性能研究。主持2项国家自然科学基金和甘肃省杰出青年基金等项目10余项。在Nano energy，Energy Storage Materials和Journal of Materials Chemistry A等期刊发表论文80余篇，获批发明专利5项。

阮殿波教授简介：宁波大学机械工程与力学学院的特聘院长、先进储能技术与装备研究院院长，教授，博士生导师。主要从事新型储能材料、储能器件（超级电容器、超快充电池、钠离子电池等）以及储能系统的工程化应用研究。首创碳气凝胶电极材料制备技术，发明新型电解质盐及超级电容器能量管理系统。其团队研发的超高功率超级电容器达国际领先水平，获多项专利及中国专利金奖。还获俄罗斯自然科学院院士称号，在储能技术的研究与应用方面成绩斐然。