青岛大学宋建军、张立学&河北农大赵孝先CEJ观点：构建SnS2-SnO2异质结同时改性正极/隔膜助力高性能锂硫电池

第一作者：刘文栋

通讯作者：宋建军，张立学，赵孝先

单位：青岛大学，河北农业大学

锂硫电池具有高理论质量比容量（1675 mAh·g^-1）与高理论能量密度（2600 Wh·kg^-1），因此被认为是下一代二次储能体系的有力竞争者。然而，缓慢的反应动力学和严重的“穿梭效应”导致容量快速衰减，妨碍了锂硫电池的商业化进程。该文探索了SnS₂-SnO₂异质结同时改性正极/隔膜对锂硫电池性能的影响，通过理论计算与实验相结合，证实双重改性策略可以有效改善在高电流密度与高载硫量下的电池循环稳定性。

近日，青岛大学特聘教授宋建军、张立学与河北农业大学的赵孝先教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Regulating the P-band center of SnS₂-SnO₂heterostructure to boost the redox kinetics for high-performance lithium-sulfur battery”的文章。研究团队构建了一种碳纳米管修饰的硫化锡和锡氧化物(SnS₂-SnO₂-CNTs)异质结构作为多功能催化剂，用于修饰隔膜和正极以获得高性能的锂硫电池。结果发现，相比SnO₂，SnS₂-SnO₂异质结构的形成促进了Sn原子的P带中心向费米能级移动，实现了对多硫化物的强吸附与催化性能，从而有效地抑制了“穿梭效应”。SnS₂-SnO₂抑制界面同时降低了Li2S的沉积势垒，从而促进锂硫电池的氧化还原动力学。结合改进的电子转移，同时改性正极和隔膜的锂硫电池表现出优越的电化学性能，在1 C时具有930.2 mAh·g^-1的高初始容量，在4.3 mg·cm^-2的高硫负载下，在7.4 C的超高速率下具有580.3 mAh·g^-1的显著容量。

对于SnS₂-SnO₂-CNTs的SEM测试证明异质结构为由厚度为42.5nm左右的纳米片组成的纳米花状结构。HRTEM与XPS的结果则证实SnS₂与SnO₂间形成了明显的异质结界面。

通过对SnS₂-SnO₂异质结构与SnO₂的态密度的研究发现，相比SnO₂，SnS₂-SnO₂异质结构的形成促使Sn的P带中心向费米能级移动，从而为异质结构对多硫化物的强吸附作用提供了理论支持。差分电荷密度表明异质结构与Li₂S₆作用后具有更多的电荷转移量，同样证实了二者间的强相互作用。对于SnS₂-SnO₂表面Li₂S的分解势垒的研究表明异质结构对于催化Li₂S的分解过程同样起到关键作用。

首先通过简单的可视化吸附实验验证了理论计算关于SnS₂-SnO₂异质结构对多硫化物强吸附能力的结论。此外SnS₂-SnO₂异质结构还有利于促进Li2S成核沉积，提高液-固及固-固反应速率。使用SnS₂-SnO₂-CNTs组装的锂硫电池表现出良好的倍率性能与长循环稳定性，在1 C的电流密度下初始放电比容量为804 mAh·g^-1，500次循环后的可逆放电比容量为542.4 mAh·g^-1，每个循环的容量衰减率仅为0.065%。

传统锂硫电池单一的正极改性或者隔膜改性都具有各自的局限性，很难高效应对多硫化物的穿梭效应，因此本文探索了使用SnS₂-SnO₂-CNTs同时改性正极与隔膜对于锂硫电池电化学性能的影响。在0.2 C的循环性能测试与倍率性能测试中，SnS₂-SnO₂-CNTs@S|SnS₂-SnO₂-CNTs@PP电池具有比单独改性隔膜与单独改性正极时更高的放电比容量与循环稳定性。在7.4 C的高电流密度下SnS₂-SnO₂-CNTs@S|SnS₂-SnO₂-CNTs@PP电池表现出580.3 mAh·g^-1的初始放电比容量，并在100次循环后保持520.2 mAh·g^-1的可逆放电比容量，每个循环的平均衰减率仅为0.103%。在4.3 mg·cm^-2的高硫负载下，SnS₂-SnO₂-CNTs@S|SnS₂-SnO₂-CNTs@PP电池拥有930.2 mAh·g^-1的高初始放电比容量和5.11 mAh·cm^-2的高面积比容量，经过250次循环后，仍然保持688.2 mAh·g^-1的可逆放电比容量，每个循环的平均衰减率为0.104%。

宋建军简介：青岛大学物理科学学院特聘教授，硕士生导师。近年来一直从事新能源材料的设计及其在储能中的应用，共发表研究论文70余篇，其中以第一/通讯作者在Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.、Energy Stor. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.、Adv. Sci.、J. Energy Chem.、Chem. Eng. J.等期刊发表论文38篇。主持或参与国家重大研究计划、山东省青年科学基金、中国博士后面上一等资助等项目。担任eScience 青年编委、Advanced Powder Materials青年编委、Rare Metals 青年编委。

张立学简介：青岛大学教授、博士生导师、洪堡学者、山东省泰山学者青年专家。长期从事能源材料界面电化学研究，共发表研究论文110余篇，被引用7300余次，h指数为46；其中以通讯/第一作者在Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., J. Energy Chem.等期刊发表论文60余篇，有9篇先后入选ESI高被引论文，单篇最高被他引510余次。先后主持国家自然科学基金（4项）、山东省属优秀青年基金、青岛新能源山东省实验室开放课题等项目10余项，作为项目骨干参与国家重点研发计划等项目。获山东省自然科学二等奖1项（排名第2），作为带头人获批山东省高校青年创新团队，为中国化学会高级会员，任《物理化学学报》《结构化学》等期刊的青年编委/客座编辑。

赵孝先简介：河北农业大学太行学者三层次人才，教授，博士生导师。一直致力于无机多功能储能纳米材料的设计、合成及应用研究。特别是，近些年申请人从事了大量关于多壳层空心结构材料设计和锂硫电池S载体的相关工作。主持结题河北省自然科学基金-面上项目一项，在研一项，河北省高等学校科学技术研究项目-青年拔尖人才计划项目一项，国家青年科学基金项目一项。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.（2）、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Energy Stor. Mater.、J. Energy Chem.等高水平期刊发表论文40多篇，其中第一作者和通讯作者论文27篇（近五年23篇），本科生一作2篇，他引次数1200余次。申请专利6项，授权发明专利3项。指导本科生参加“第七届中国国际互联网+大学生创新创业大赛”获得国家铜奖。中国化学会会员、中国颗粒学会会员、出任中国能源学会能源组专家副主任、《稀有金属》青年编委（2023年被评为优秀青年编委）、《Advanced Powder Materials》青工委、《Materials》期刊客座编辑。