Small：双相界面同时实现催化多硫化物并抑制锂枝晶，助力高性能锂硫全电池

第一作者：徐树正

通讯作者：顾少楠* 常海欣*

单位：齐鲁工业大学（山东省科学院），华中科技大学

锂硫电池的发展具有极大的前景，然而锂硫全电池的发展仍然面临着多硫化物从正极到负极的穿梭效应以及锂金属负极的锂枝晶形成的根本挑战，这导致电池容量衰减快、循环性能差和严重的安全问题。因此，开发既能促进多硫化物氧化还原双向反应，又能同时实现稳定的锂金属负极的材料具有重要意义。

近日，齐鲁工业大学（山东省科学院）顾少楠副教授与华中科技大学常海欣教授合作，在期刊国际知名期刊Small上发表题为“Multifunctional Catalytic Hierarchical Interfaces of Ni₁₂P₅-Ni₂P Porous Nanosheets Enabled Both Sulfides Reaction Promotion and Li-Dendrite Suppression for High-Performance Li–S Full Batteries”的研究文章。该文章设计了由Ni₁₂P₅与部分原位转化生成的Ni₂P构成的多功能双相界面多孔纳米片。界面处独特的电子结构赋予Ni₁₂P₅-Ni₂P双相界面通过降低吉布斯自由能对硫化物还原和氧化的有效电催化作用，实现双向催化转化。重要的是，具有分级界面的Ni₁₂P₅-Ni₂P多孔纳米片还降低了锂成核能垒，并且在整个锂沉积和剥离步骤中实现了无枝晶的锂沉积。组装全电池在0.2 C时具有1345 mAh g^-1的高容量。

通过水热磷化制备Ni₁₂P₅@CNT，然后通过气相磷化将Ni₁₂P₅部分原位磷化成为Ni₂P，在后续的探索中改变磷化条件能使Ni₂P向Ni5P4转变，这一有趣的方法，能够为金属磷化物的合成、以及为新的金属磷化物催化材料的构建提供新思路。

结合理论计算和实验，在不同温度下进行CV测试，对催化多硫化物的催化能力进行定量测量，结果证实了改善的电化学动力学。通过理论计算结果表明Ni₁₂P₅-Ni₂P界面有利于促进电池反应的氧化过程。对于还原过程，Ni₁₂P₅-Ni₂P界面在Li₂S₄转化为Li₂S₂以及Li₂S的过程中表现出明显最低的吉布斯自由能变化，表明Ni₁₂P₅-Ni₂P界面在热力学上也促进了氧化过程以外的还原过程，表明Ni₁₂P₅-Ni₂P界面在Li-S电池的氧化还原反应中具有双向催化功能。通过原位拉曼测试以及对还原过程硫化锂成核以及氧化过程硫化锂溶解结果进行分析，更验证了Ni₁₂P₅-Ni₂P对多硫化物氧化还原过程良好的双向催化作用。

在Ni₁₂P₅-Ni₂P的作用下，金属锂具有最低的锂成核能垒，通过熔融载锂构建的锂负极也具有良好的循环稳定性和倍率性能。

结合Ni₁₂P₅-Ni₂P催化下的硫正极和Ni₁₂P₅-Ni₂P作用下的锂负极，构建锂硫全电池以及软包电池。测试结果证明，全电池中锂负极对电池性能具有重要的影响，稳定的锂负极对锂硫电池性能提升具有重要意义，同时柔性软包电池在不同的弯折条件下均能正常工作。

综上所述，设计了具有催化分级界面的多功能多孔Ni₁₂P₅-Ni₂P纳米片，并构建了高性能Li-S全电池。对于LiPSs的受阻氧化还原转化，催化活性Ni₁₂P₅-Ni₂P界面同时对液体LiPSs的还原和固体Li₂S的氧化表现出双向催化功能。此外，多孔Ni₁₂P₅-Ni₂P分级界面还降低了锂成核能垒，并且在整个锂沉积和剥离步骤中实现了无枝晶的锂沉积。

Multifunctional Catalytic Hierarchical Interfaces of Ni₁₂P₅-Ni₂P Porous Nanosheets Enabled Both Sulfides Reaction Promotion and Li-Dendrite Suppression for High-Performance Li–S Full Batteries

顾少楠：博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）副教授，硕士生导师。近三年主持/承担国家自然科学基金2项、山东省自然科学基金1项、济南市“高校20条”创新团队项目1项。担任学术期刊《Nanomaterials》、《Molecules》客座编辑，主要研究方为锂离子电池、锂硫电池电极材料、光、电催化材料等能源转化与储存材料的设计、合成与结构性质理论计算。在Adv. Funct. Mater.、Small、Chem. Eng. J.、Mater. Today Energy、ACS Appl. Mater. Inter.等国际高水平期刊发表学术论文50余篇，被引2000余次，包括2篇ESI高被引论文，H因子21，授权中国发明专利5项。

常海欣：博士，华中科技大学教授、博士生导师，国家级引才计划专家。近年来，承担科技部国家重点基础研究计划（973计划）、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目。在Nature子刊、Cell子刊、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano等发表论文100余篇，被引6000余次。入选欧洲Elsevier爱思唯尔2020、2021中国高被引学者。申请与授权新材料、新能源、量子材料等相关专利20余项。荣获以美国著名纳米碳材料科学家Pulickel M. Ajayan 命名的Pulickel M. Ajayan Award、欧洲Eni Award提名、中国科协科学中国人杰出青年提名等多种国内外奖项。

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