杨华明教授、高睿杰副教授Small：调控埃洛石界面氧p轨道增强多硫化物转化动力学，提升锂硫电池性能- 大数跨境

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杨华明教授、高睿杰副教授Small：调控埃洛石界面氧p轨道增强多硫化物转化动力学，提升锂硫电池性能

科学材料站

2021-12-07

导读：本文通过密度泛函理论（DFT）计算和实验，证明通过TiO2纳米颗粒修饰埃洛石，从而有效调控界面氧的p轨道能级

文章信息

调控埃洛石界面氧p轨道增强多硫化物转化动力学，提升锂硫电池性能

第一作者：张强

通讯作者：杨华明，高睿杰

单位：中南大学，中国地质大学（武汉）

研究背景

锂硫（Li-S）电池因其超高的理论比容量而被认为是下一代储能电池的有力候选。然而，由于多硫化锂缓慢的转化动力学和严重的穿梭效应，极大地阻碍了锂硫电池的实际应用。氧化物中氧活性位点和多硫化物之间能形成Li··O和O-S键从而固定多硫化物，因此氧化物的加入能有效抑制穿梭效应。

然而，由于多硫化物在氧位点的强结合作用，导致其解吸速率较慢，抑制了多硫化物的转化动力学。因此，如何平衡多硫化物吸附和解吸的强度，加速多硫化物的转化动力学，是一个十分具有挑战性的问题。

文章简介

基于此，来自中南大学杨华明教授和中国地质大学（武汉）高睿杰（共同通讯作者）等人通过密度泛函理论（DFT）计算和实验，证明通过TiO2纳米颗粒修饰埃洛石，从而有效调控界面氧的p轨道能级，促进多硫化物解吸和氧化过程中Li-S键的断裂，因此增强多硫化物的转化动力学。

图1. TiO2-Hal和Hal的理论计算结果

通过电子能量损失谱（EELS）、X射线吸收谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）表征证明了TiO₂-Hal中存在Ti到界面氧的电子转移行为，调控了界面氧的电子状态。

图2 TiO2-Hal的形貌及结构表征

电催化测试结果表明，相较于Hal、TiO₂，TiO₂-Hal在可溶性多硫化锂及固体Li₂S之间的氧化还原反应中，具备最佳催化活性和最高的Li⁺扩散能力。

图3 TiO2-Hal的电催化性能表征

锂硫电池性能测试表明，在0.2 C的电流密度下，SC-TiO₂-Hal/S具有高的初始放电比容量（1199.1 mAh·g⁻¹）和优异的容量保持率（200圈，87.2%）。而在大电流下（1C），在1000次循环后，每圈的平均容量衰减率仅为0.04%。

图4 SC-TiO2-Hal的电化学性能

为了进一步探索SC-TiO2-Hal在整个电化学反应过程中，加速多硫化锂催化转化的作用机理，进行了原位XRD和原位Raman分析以监测多硫化物的演变，其结果证明了富电子界面氧可以有效促进多硫化物的催化转化动力学，抑制多硫化物的穿梭效应。

图5 TiO2-Hal的原位XRD及原位Raman表征

文章链接

Manipulating the Conversion Kinetics of Polysulfides by Engineering Oxygen p-Band of Halloysite for Improved Li-S Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105661

通讯作者简介

杨华明教授

博士，中南大学、中国地质大学（武汉）教授、博士生导师，中组部国家“万人计划”领军人才、国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才、享受国务院政府特殊津贴专家。在中南工业大学获学士、硕士和博士学位，先后在英国布里斯托大学、澳大利亚昆士兰大学、俄罗斯科学院固态化学研究所任访问学者。长期从事矿物功能材料、能源与环境材料、生物医药材料、材料计算、固废资源化等研究，致力于材料、矿物、化学、物理、生物医药等多学科交叉，主持国家自然科学基金、国家科技支撑、863课题、博士点基金、教育部重点项目等，在Adv. Funct. Mater.、EnergyChem、Chem. Mater.、J. Phys. Chem. Lett.、Appl. Catal. B、ChemComm、Am. Mineral.、Appl. Clay Sci.等国际期刊发表SCI论文180多篇，制修定国家/行业标准4项，授权国内专利40余件，授权国际专利4件，出版学术专著和教材6部，获省科技创新团队奖、省部级科技一等奖4项、二等奖2项和图书一等奖3项。担任Clay Minerals副主编、Minerals客座编辑、《硅酸盐学报》编委、第22届国际矿物学大会矿物材料分会主席、全国非金属矿产品及制品标准化技术委员会委员、中国硅酸盐学会矿物材料分会副理事长、中国矿物岩石地球化学学会矿物岩石材料专委会副主任、中国非金属矿工业协会常务理事等。

高睿杰副教授

博士，中国地质大学（武汉）副教授、硕士生导师，分别在华东理工大学、天津大学获学士和博士学位，主要从事能源及生物质催化材料的理论设计及应用研究，主持和参与国家自然科学基金、博士后科学基金、湖北省博士后创新研究等项目，2021年入选国家“博新计划”。以第一/通讯作者在Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano等国际期刊发表SCI论文15余篇，授权中国发明专利5件。

课题组介绍

详细信息见课题组主页：

http://hmyang.cug.edu.cn/