三峡大学杨学林教授和西安理工大学李喜飞教授Small：锂硫电池新型宿主氮掺杂碳纳米立方体限域的超薄ZnS/SnS2异质结- 大数跨境

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三峡大学杨学林教授和西安理工大学李喜飞教授Small：锂硫电池新型宿主氮掺杂碳纳米立方体限域的超薄ZnS/SnS2异质结

科学材料站

2022-05-20

导读：此工作设计了一种新型异质结构的载硫宿主（ZnS/SnS2@NC），有效缓解了硫基活性物种的体积效应和穿梭效应

文章信息

第一作者：颜波

通讯作者：杨学林*，李喜飞*

单位：三峡大学，西安理工大学

研究背景

锂硫电池是极具应用前景的下一代高比能储能器件。然而，硫正极因存在利用率低、体积效应大和“穿梭效应”等问题，严重制约了其发展。据此，大量的研究致力于开发硫基复合正极材料试图解决上述问题，其中设计空心载硫宿主备受瞩目。空心宿主具有两个明显优势：一是空腔能缓解体积效应，并能保持高载硫量；二是任一空腔均可作为纳米反应器对多硫化锂实现空间限域或物理围捕。

近年来，文献中报道了各式各样的空心宿主，从非极性碳素材料，发展到极性掺杂碳素材料，再到金属氧化物、硫化物，甚至是异质结构的金属磷化物、硒化物等。研究证实：空心结构宿主载硫后，大量的硫装载在空腔内部而非壳层的孔隙中；因此，空腔内部大量团聚的硫难以有效接触导电外壳，故无法被有效利用，尤其是在高载量情况下，上述问题愈发明显。

文章简介

针对此问题，三峡大学杨学林教授团队和西安理工大学大学李喜飞教授团队在《Samll》期刊上发表题为“Confining ZnS/SnS₂Ultrathin Heterostructured Nanosheets in Hollow N-Doped Carbon Nanocubes as Novel Sulfur Host for Advanced Li-S Batteries”的文章。

此工作设计了一种新型异质结构的载硫宿主（ZnS/SnS₂@NC），有效缓解了硫基活性物种的体积效应和穿梭效应，特别是该新型宿主能够与空腔内部的硫形成致密良好的接触，能显著改善硫基活性物种的电接触和利用率。

此外，该论文还设计了成分相同、结构不同的两个对照宿主，即氮掺杂碳外壳包覆的ZnS/SnS₂异质结构的纳米颗粒内核（ZnS/SnS₂-NP@NC）和纳米片内核（ZnS/SnS₂-NS@NC）。该论文对空心纳米结构宿主的设计与优化具有重要的指导意义。

图 1、图解各种空心宿主的结构优势

图2、ZnS/SnS₂@NC宿主的合成过程

图3、ZnS/SnS₂@NC宿主的结构表征

图4、三种空心宿主的孔径分布a) ZnS/SnS₂@NC, b) ZnS/SnS₂-NS@NC, and c) ZnS/SnS₂-NP@NC；暗场STEM-HADDF图及其元素分布图d) ZnS/SnS₂@NC, e) ZnS/SnS₂-NS@NC, and f) ZnS/SnS₂-NP@NC

图5、S@ZnS/SnS₂@NC 复合正极材料的结构表征

图6、三种复合正极材料的电化学性能

图7、三种宿主对多硫化锂的吸附性能及其动力学分析

图8、不同载硫S@ZnS/SnS₂@NC 复合正极的电化学性能及其反应动力学

文章链接

Confining ZnS/SnS₂ Ultrathin Heterostructured Nanosheets in Hollow N-Doped Carbon Nanocubes as Novel Sulfur Host for Advanced Li-S Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202107727

通讯作者简介

杨学林教授

三级教授，博士生导师，中国科协先进材料学会联合体青年工作委员会委员，中国固态离子学分会副秘书长，湖北省杰出青年基金获得者，湖北省政府专项津贴专家，湖北省新世纪高层次人才第二层次人选，湖北省重点产业创新团队负责人，三峡大学青年拔尖人才第一层次人选，宜昌市优秀市管专家；现任三峡大学分析测试中心主任、储能新材料湖北省工程实验室主任、新型石墨材料研究院院长；主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、教育部重点项目目、湖北省杰出青年基金、湖北省重大专项、湖北省教育厅科技创新团队及企业横向课题等项目20余项；在Nano Energy等国际权威刊物上发表SCI论文100余篇（ESI论文5篇），引用2000余次。在天然石墨应用研究领域取得了突破性进展，获授权发明专利12项（转让4项），为合作企业建成新型锂离子电池石墨负极材料中试生产线一条，研究成果曾获得湖北省自然科学奖、湖北高校十大科技成果转化项目提名奖等奖励。

李喜飞教授

西安理工大学教授、博导，主要从事微/纳米功能材料表界面效应精准调控及二次电池的应用研究，已发表320篇SCI论文，被引用17000多次，H因子68。先后入选国家百千万人才工程、英国皇家化学会会士、科睿唯安全球“高被引科学家”（2018-2021）、爱思唯尔“中国高被引学者”、全球顶尖前10万科学家和陕西省杰青等，被授予国家“有突出贡献中青年专家”、全国石油和化工优秀科技工作者、天津青年五四奖章和天津市五一劳动奖章等称号。获陕西省自然科学奖二等奖（1/6）、中国石油和化学工业联合会科学技术奖二等奖（1/10）和陕西高等学校科学技术奖一等奖（1/9）等。任国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席，Springer-Nature旗下期刊Electrochemical Energy Reviews（IF：28.905，位居国产期刊之首）执行主编，Frontiers in Chemistry副主编，《电化学》编委，中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员等，担任全国石油与化工行业电动汽车动力电池关键电极材料重点实验室和陕西省新能源动力电池关键材料创新团队等负责人。科研成果曾被天津卫视《12点报道》节目报道。

第一作者介绍

颜波，副教授，湖北省楚天学子、三峡学者。以第一作者和共同作者身份在能源领域国际期刊Adv. Energy Mater.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A、Carbon、J. Power Sources.、Electrochem. Acta等发表学术论文超过35篇，总引用频次超过3200，H因子25，已结题国家自然科学基金和省基金项目各一项。目前的研究以新能源材料和储能技术为依托主要集中在：（1）材料可控制备，如三维石墨烯、多孔/空心碳球、硫/硒-碳复合材料、空心金属氧族化合物等，以及将其应用于电化学能源储存设备，包括锂硒/硫电池、钾/钠/锂离子电池等；（2）电极材料改性，包括：包覆改性、掺杂改性和复合改性，以及电极材料界面改性与调控研究；（3）电极材料储能机理研究，如：反应机理、作用机理、性能恶化或失效机理等。