青岛大学宋建军/温州大学侴术雷、陈双强/河北农大赵孝先Angew：双层区域功能化隔膜构建高效锚定-转换界面抑制穿梭效应

第一作者：冯俊安

通讯作者：宋建军，侴术雷，陈双强，赵孝先

单位：青岛大学，温州大学，河北农业大学

高理论能量密度的锂硫电池被认为是下一代二次储能体系中的有力竞争者。然而，硫物种间迟缓的多相转化动力学和严重的“穿梭效应”仍然是影响锂硫电池循环能力的核心问题。由原子或近原子厚度组成的二维材料容易形成高电导率、高比表面和丰富催化位点的堆叠或交联层，因此即使在高硫负载下也能作为有效阻断多硫化物的限制层。其中，极性二维MXene的表面具有丰富末端官能团，对多硫化物有较强的亲和力，在改性锂硫电池隔膜缓解穿梭效应方面表现出良好的潜力。但在范德华力的驱动下，MXene纳米片的自堆积效应导致了MXene层间锂离子空间的压缩，增加厚度会增加离子迁移路径，不利于迁移。并且在高硫载量下，二维堆叠层有效限制回收的硫物种会在连续的氧化还原过程转化为低电导率和低活性的死硫积累在二维表面，导致缓慢的反应动力学和低活性物质利用率。

近日，青岛大学特聘教授宋建军联合温州大学的侴术雷、陈双强教授和河北农业大学的赵孝先教授在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 期刊发表题为“Enabling Efficient Anchoring‐Conversion Interface by Fabricating Double‐Layer Functionalized Separator for Suppressing Shuttle Effect”的研究论文。研究团队提出了一种新颖的双层隔膜设计策略，利用金属Co团簇和原子分散的CoN₄双活性位点修饰的科琴黑导电碳（Co/CoN₄@KB）和二维MXene纳米片（MX）确保了多硫化物的高效吸附-催化界面。Co团簇和CoN₄分别对长链和短链多硫化物表现出靶向的催化-吸附能力，CoN₄还能诱导充电过程中硫化锂的Li-S键断裂，从而降低硫化锂解离的活化能垒。

而二维MXene层通过物理屏障和金属-硫相互作用进一步限制可能从Co/CoN₄@KB层遗漏的多硫化物，确保了多硫化物处于高效的锚定转化反应界面中，从而平衡硫和硫化锂的生成。因此，将Co/CoN₄@KB-MX隔膜用于锂硫电池表现出卓越的电化学性能，包括高容量、出色的倍率能力，以及在高硫负载和贫电解质的情况下的出色循环性能。此外，Co/CoN₄@KB-MX隔膜同样可以抑制锂硒电池中的穿梭效应，提高电池性能。该研究为隔膜提供了一个通用和新颖的设计视角，证明了催化材料与二维材料屏障之间的协同效应来抑制穿梭效应是可取的，表明该类隔膜在穿梭效应型电池系统的实际应用潜力。

利用简单的配体介导方法合成了Co/CoN₄@KB。在聚丙烯隔膜上先后真空过滤MXene和Co/CoN₄@KB悬浮液，制备了双层Co/CoN₄@KB-MX隔膜。形貌结构表征证明了金属Co团簇和原子级的Co共存在导电碳架构上。

Co与CoN₄均展现出较低的d带中心，表现出较高催化活性。而吸附能和自由能的理论计算则发现，金属Co对于长链多硫化物有更强的吸附能力，并且能够更好地促进多硫化物由长链向短链的还原。而CoN₄则更倾向于锚定短链多硫化物，并且更有效的降低了短链多硫化物的固相转换能垒，充电过程硫化锂在CoN₄表明更有利于分解。因此，双位点协同作用构建了多硫化物的吸附-转换-再激活界面，提高了活性物质利用率。

原位拉曼光谱表征发现，使用PP隔膜的锂硫电池高电位下在隔膜负极侧快速产生了大量的硫物种，穿梭效应严重。而Co/CoN₄@KB-MX则有效限制了多硫化物的迁移，所以锂硫电池在高硫负载和贫电解液情况下实现了出色的循环和倍率性能，这种催化-吸附双层的建立有利于多硫化物在高负载电极循环过程中的吸附-催化动态平衡，从而获得良好的循环稳定性。值得注意的是，将Co/CoN₄@KB-MX用于锂硒电池也同样有效地抑制了多硒化物的穿梭，实现了良好的电化学性能。由此可见，这种通用的双层隔膜结构，可以扩展到各种功能催化剂和二维材料，对于其他受穿梭效应影响的电池展现出良好的发展潜力。

Enabling Efficient Anchoring-Conversion Interface by Fabricating Double-Layer Functionalized Separator for Suppressing Shuttle Effect

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. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Energy Stor. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.、Adv. Sci.、J. Energy Chem.等高水平期刊发表论文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。

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。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.（4）、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31篇（近五年28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、《燕山大学学报》青年编委、《Materials》期刊客座编辑。

陈双强简介：温州大学化学与材料工程学院教授，博士生导师，兼温州大学碳中和技术创新研究院副、上海大学环境与化学工程学院。博士毕业于悉尼科技大学，德国洪堡学者。研究方向为有机/无机正负极材料设计、电化学反应机理研究、低成本宽温域高安全锂/钠离子电池和锂硫电池等储能体系开发。迄今，发明专利授权4项，发表论文100余篇，以第一或通讯作者发表高水平论文包括Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Small, Nano Energy等，论文被引用1万余次，h指数53，10余篇论文入选ESI高被引论文；4次入选全球前2%顶尖科学家榜单。撰写专业教材1本：《碱金属电池关键材料基础与应用》（2021年，化学工业出版社）。主持多项科研基金和人才项目，包括：国家自然科学基金—面上项目（2项）、德国洪堡基金、上海市高层次人才基金、浙江省公益基金等，担任多个知名SCI期刊青年编委，如：《Informat》、《Nano-Micro Letters》、《Battery Energy》和《Chinese Chemical Letters》等，并担任二十多种学术期刊的审稿人，如：Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano, Chem. Eng. J., J. Power Sources等。多次受邀在国内外学术会议上作邀请报告。

侴术雷简介：教授，温州大学碳中和技术创新研究院院长。本硕毕业于南开大学，博士毕业于澳大利亚伍伦贡大学。侴术雷博士自2020年1月起担任澳大利亚伍伦贡大学教授，长期致力于电化学储能电池相关电极材料的研究，发表Science、Nature Chemistry等论文270余篇，文章被他引超过15000次，其中有21篇被列为ESI高被引文章，H指数65，2018-2021年连续入选全球高被引科学家；申请和授权国际国内专利20余项，承担澳大利亚可再生能源署(ARENA)重大项目7项，2014年获得澳大利亚年轻科学家奖；曾担任2015年新一代电池青年科学家国际研讨会组委会共同主席、2015年第二届先进电池正负极材料国际论坛会议主席、2016年下一代电池国际研讨会执行主席，参与制订和审定钠离子电池的行业标准；担任学术期刊Carbon Neutralization主编。