吴子平教授，AFM观点：自支撑ω-Li3V2O5催化网络增强锂硫电池反应动力学- 大数跨境

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吴子平教授，AFM观点：自支撑ω-Li3V2O5催化网络增强锂硫电池反应动力学

科学材料站

2021-11-16

导读：该文章分利用了ω-Li3V2O5（LVO）和碳纳米管复合得到的自支撑催化网络提高锂硫电池电化学反应速度。

文章信息

自支撑ω-Li₃V₂O₅/碳纳米管催化网络增强锂硫电池反应动力学

第一作者：杨斌责

通讯作者：吴子平

单位：江西理工大学

研究背景

锂硫电池(LSB)具有能量密度高、环境友好、廉价等优点。然而，传统LSB也有很多缺点，如硫电导率较差，内阻较高、电化学反应缓慢及可溶性中间产物穿梭造成的循环寿命短

文章简介

基于此，江西理工大学吴子平教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Binder-Free ω-Li3V2O5 Catalytic Network with Multi-Polarization Centers Assists Lithium-Sulfur Batteries for Enhanced Kinetics Behavior”的观点文章。该文章分利用了ω-Li₃V₂O₅（LVO）和碳纳米管复合得到的自支撑催化网络提高锂硫电池电化学反应速度。

内容详情

通过CVD法制备的ω-LVO/碳纳米管膜有较好的柔性。催化剂催化电化学反应过程中电子可从碳纳米管的网络中有效转移。此外，柔性膜可有效容纳电化学反应中活性材料的体积膨胀。

图 1. V₂O₅/碳纳米管合成示意图和电池设计结构。a) V₂O₅/碳纳米管通过空气运输将其气凝胶与 NH₄VO₃ 粉末混合，然后 400°C 处理，b) V₂O₅/碳纳米管膜形态，c) 挤压和 d) 释放后状态，e) 厚度和 f) V2O5/碳纳米管质量，g) V2O5/碳纳米管作为夹层阻挡和吸收 LSB多硫化物。

循环伏安(CV)曲线表明，首次放电过程 V2O5发生了一系列不可逆的结构变化。XRD和XPS结果证明了其最终产物为ω-LVO。从密度泛函理论(DFT)结果（图2h）中可看出Li、V和O间出现了高电位差。实现了三个不同的极化中心，这些具有足够极性位点的中心显着影响了对可溶性多硫化物的吸收能力，有利于避免穿梭效应，并对反应体系产生催化作用。

图 2. 锂化过程前后 V2O5。a) 碳纳米管和 b) ω-LVO/碳纳米管形貌，c) 碳纳米管和V2O5/碳纳米管TG 曲线，d) CV 曲线，e) 碳纳米管、V2O5/碳纳米管和 LVO/碳纳米管结构，f) XPS V 2p光谱，g) ω-LVO晶体结构，及 h) 电位分布和 i) DFT 计算的 ω-LVO中 Li、V 和 O 周围的电势。

硫质量负载为2.5 mg cm-2的电极中，通过在高倍率下的循环行为进一步研究了ω-LVO的催化效果。具有ω-LVO的电极表现出良好的循环稳定性， 500次循环后其可逆比容量为771mAh g-1。

图 3. 不同夹层的电化学特性。a) 1 C恒电流放电/充电电压曲线，b) 1 C放电/充电平台间极化电压，c) 1 C循环性能，d) 0.1 至 7 C倍率性能，e) EIS，f ) EIS 和催化剂负载量与已报道结果的比较，g) 纽扣电池3 C循环性能，及 h) 软包0.5C的循环性能

为了解LSB反应动力增强的原因，通过S8和Li箔电极原位紫外光谱测量，发现长链多硫化物可有效转化为可溶性短链多硫化物，并进一步有效转化为固体短链多硫化物。基于CV曲线的Tafel图可发现该催化剂显示出极佳的氧化还原反应动力。从Koutecky-Levich图也看出具有ω-LVO/碳纳米管覆盖层的电极存在较大的电子转移数(14.1)。

图 4. 电催化性能表征。a-c) 原位紫外光谱研究比色皿中硫的转化和扩散，d-f) 所得紫外光谱二阶导，g) 第一个初始放电平台Tafel 图，h) 与以前报道LSB 催化剂两放电平台的 Tafel 图对比， i) 不同电极的电子转移数量。5

通过DFT计算，ω-LVO可有效吸收和防止可溶性多硫化物的损失。S8到Li2S放电过程中相对低的自由能垒表明ω-LVO有利于Li2S6到Li2S的转变。鉴于它们与硫物质的强结合和碳纳米管的导电性，多硫化物可较容易地被ω-LVO/碳纳米管层吸收，进而被催化而转化。

图 5. DFT 计算。a, b) S8、Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S4、Li2S 和 Li2S8 在碳纳米管和 ω-LVO表面结构优化，c) 吸附能力，以及 d) 从 S8 到 Li2S 放电过程的相对自由能 .

结果与讨论

该研究提出了一种新方法，将新型的ω-LVO催化剂嵌入碳纳米管导电网络中，阻止穿梭效应，并提高LSB的氧化还原反应动力。原位紫外光谱中的蓝移和超低Tafel斜率表明电池的反应动力显著增强。因此，该研究实现了具有低内阻、高倍率和高容量的锂硫软包电池（750 mAh）。该工作为锂硫电池未来的商业化应用提供了一个新思路。

文章链接

Binder-Free ω-Li3V2O5 Catalytic Network with Multi-Polarization Centers Assists Lithium-Sulfur Batteries for Enhanced Kinetics Behavior

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110665

通讯作者简介

吴子平教授

江西理工大学教授，博士生导师，主要从事碳基纳米材料的宏量制备及其在柔性能源存储系统中的应用研究，如柔性锂离子电池、锂硫电池等。在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Small等期刊发表论文50多篇，授权发明专利10余项。主持国家自然科学基金、江西省主要学科学术和技术带头人等项目，获江西省自然科学二等奖1项。