赵东林教授， Small观点：基于欧姆接触构建的双异质结构用于加速离子-电子传输，实现锂硫电池的高效双向催化

第一作者：陈镜州

通讯作者：赵东林

单位：北京化工大学

锂硫电池因其理论上的高比容量（1675 mAh g^-1）和能量密度（2600 Wh kg^-1），被认为是下一代储能装置的理想候选者。但是，越来越多的研究表明，硫和放电产物（Li₂S/Li₂S₂）的导电性差、可溶性锂多硫化物（Li₂S4 ≤x ≤8）在有机电解液中溶解、硫氧化动力学缓慢会阻碍其实际应用。本篇工作中，我们采用简单的一步水热法和静电自组装制备了 MXene-VS₄-SnS₂ 并取得了以下三项发现：欧姆接触异质结为锂硫电池的运行过程提供了高速电子通路。1. 由于功函数的不同，电子自发地从金属相的材料流向非金属相，从而加速了电子和离子的转移。2. VS₄和SnS₂两种金属硫化物会提供大量的亲硫位点，促进多硫化锂的捕获和催化。3. 复合正极中元素 Sn 的 5p 轨道与 S 的 3p 轨道耦合，减小了 d-p 轨道中心差，这对锂硫电池的反应动力学非常有利。在此基础上，本研究为设计高效的锂硫阴极催化剂提供了新的思路和方法。

近日，来自北京化工大学的赵东林教授，在国际知名期刊Small上发表题为“Accelerated Ion-Electron Transport in Bi-Heterostructures Constructed Based on Ohmic Contacts for Efficient Bi-Directional Catalysis of Lithium-Sulfur Batteries”的研究文章。该研究文章作者通过构建MXene-VS₄的欧姆接触用于加速电子在复合材料中的迁移效果，同时通过复合SnS₂提升复合材料整体的P带高度降低d-p模型中心差值用于加速对多硫化物的捕获和催化，实验结果和DFT理论证明MVS 具有优异的电化学性能，在 0.1C 电流密度下，其比容量达到 1466.2 mAh g⁻¹，在 2 C 电流密度下循环 500 次后，容量保持率达到 84.5%。欧姆接触的形成诱导了自发的电荷重排，在 MVS 异质结界面形成快速电荷转移通道，降低了放电/充电过程中多硫化物还原和 Li₂S氧化的能垒。VS₄和 SnS₂ 的固有亲硫性促进了硫物种的转化，而折叠的 MXene 纳米片不仅为活性硫提供了高度导电的网络，还保留了丰富的内部空间，以保持正极结构在连续循环过程中的完整性。

根据固态物理学理论，当金属材料与半导体材料（以n型半导体为例）接触时，由于功函数的不同，电子会自发地从材料功函数小的一侧流向材料功函数大的一侧，直到两种材料达到热力学平衡，并形成内电场。由于 MXene（与金属相类似）中 Ti 原子的外层电子容易丢失，当 MXene 与 VS₄（n 型半导体）接触时，由于功函数不同，会形成欧姆接触。欧姆接触可以形成快速的电子传输通道，可以有效地将电子从 MXene 传递到 VS₄-SnS₂，从而加速了锂离子和多硫化物之间的反应，提高了电池的充放电效率。同时 欧姆接触可以降低多硫化物还原和 Li₂S氧化的能垒，从而加速了硫的氧化还原反应，提高了电池的倍率性能和循环稳定性。

SnS₂作为一种亲硫材料，可以与多硫化物形成强相互作用，有效地吸附和锚定多硫化物，从而抑制穿梭效应，提高电池的循环稳定性。同时SnS₂作为主族金属化合物最外层的电子集中在p轨道上使得Sn5p和S3p电子轨道发生耦合从而整体提升了复合材料p轨道的中心位置，有效降低了复合材料的 d-p 轨道中心差，这有利于调节材料的电子结构，增强对多硫化物的捕获和催化效果。

在0.1c电流密度下首次充放电曲线MXene-VS₄-SnS₂的首次充放电比容量达到了1466.2 mAh/g的高比容量，表明硫的利用率高。在E/S为7和3, 4.5, 6mg/cm²的载硫量下对电池进行了电流密度为1C的长循环测试。在载硫量6mg/cm²时在100次循环后容量保持率为74.4%。

Accelerated Ion-Electron Transport in Bi-Heterostructures Constructed Based on Ohmic Contacts for Efficient Bi-Directional Catalysis of Lithium-Sulfur Batteries

赵东林教授简介：赵东林，男，1968年生，汉族，北京化工大学教授，博士生导师。主要研究方向为碳纤维及其复合材料、碳纳米管、石墨烯、吸波材料、锂离子电池负极材料、超级电容器电极材料、聚合物固态电解质与锂硫电池阴极材料等，作为项目负责人先后主持国家“863项目”、国家自然基金、教育部博士点基金（博导基金）、北京市自然科学基金、北京市科技新星计划项目、企业委托项目20余项。