李运勇教授团队, ACS Nano观点：如何在贫电解液条件下获得高体积能量密度和高面容量的锂硫电池- 大数跨境

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李运勇教授团队, ACS Nano观点：如何在贫电解液条件下获得高体积能量密度和高面容量的锂硫电池

科学材料站

2021-08-13

导读：该观点文章将Co掺杂到MoSe2中来设计一种双功能电催化剂，该催化剂通过一步水热反应与导电 MXene纳米片原位杂化，从而获得 Co-MoSe2/MXene纳米片。

文章信息

阳离子掺杂策略调控MoSe2/MXene双功能催化剂助力实现高体积容量与高面积容量锂硫电池

第一作者：王伟

通讯作者：李运勇

单位：广东工业大学材料与能源学院

研究背景

设计致密的高硫负载正极，同时获得快速的硫氧化还原动力学并抑制贫电解质中的重度穿梭效应，从而在不牺牲Li-S电池 (LSB) 质量容量性能的情况下获得高体积能量密度是一项重大挑战。

文章简介

基于此，来自广东工业大学材料与能源学院的李运勇教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Ultrahigh-Volumetric-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries with Lean Electrolyte Enabled by Cobalt Doped MoSe2/Ti3C2Tx MXene Bifunctional Catalyst ”的观点文章。

该观点文章将Co掺杂到MoSe2（表示为 Co-MoSe2）中来设计一种双功能电催化剂，该催化剂通过一步水热反应与导电 MXene纳米片原位杂化，从而获得 Co-MoSe2/MXene纳米片。

结合致密硫结构的智能设计，制造的高密度S/Co-MoSe2/MXene整体正极（密度: 1.88 g cm-3，电导率: 230 S m-1）在常规电解液中实现了1454 mAh g-1的高可逆比容量和 3659 Wh L-1的超高体积能量密度，以及在0.1C下 3.5 μL mgs-1 的极贫电解液下约 8.0 mAh cm-2的高面积容量。

本文要点

要点一：阳离子掺杂的MoSe2/MXene 双功能催化剂

开发了一种新的阳离子掺杂策略，以调控MoSe2的电子结构和反应活性位点，从而制备一种新型的高效硫宿主Co-MoSe2/MXene双功能催化剂。通过XRD，XPS，Raman分析，可知Co被成功引入到MoSe2的晶格中。

通过同步辐射（图1D）分析可知，当Co掺杂MoSe2后会导致惰性基面的无序度和缺陷增加，从而在掺杂原子Co周边形成更多的催化活性位点。通过DOS可看出（图1H-J），当Co被引入到MoSe2平面后，促使了Mo 3d带更接近费米能级，从而提高其固有的电子电导率。

当Co被引入到MoSe2平面后，促使了Mo 3d带更接近费米能级，从而提高其固有的电子电导率。

图1. 双功能Co-MoSe2/MXene催化剂的结构及DOS分析。

要点二：快速的氧化还原动力学

在本设计中，我们采用阳离子钴掺杂来调整MoSe2的惰性基面和本征电子电导性，实验和DFT模拟计算结果表明，将阳离子Co元素引入到MoSe2平面，促使了Mo 3d带更接近费米能级，从而提高其固有的电子电导率。

同时Co掺杂后能形成更短的Co-Se键，造成Mo原子的配位不饱和，使得MoSe2的惰性基面被激活，对多硫离子的吸附与催化可同时在MoSe2边缘与基面发生。从而使得Co-MoSe2/MXene双功能催化剂在致密的高硫负载正极中实现快速氧化还原动力学和均匀的Li2S成核。

图2. 多硫离子的吸附和催化转化机理及其DFT模拟分析。

要点三：致密结构

制备了高密度的S/Co-MoSe2/MXene块体正极，其具有高的块体体积密度（1.88 g cm-3），高的电导率（~230 S m-1），对致密的高硫负载S/Co-MoSe2/MXene正极进行电化学测试，在0.1C下具有高的初始比容量容量（1454 mAh g-1）和超高的体积能量密度（3659 Wh L-1）。

更重要的是，在E/S比为3.5μL mgs-1的贫电解液条件下，含硫量为~4.8 mg cm-2的厚而致密的整体式阴极在0.1 C下仍保持高达2658 Wh L-1的体积能量密度，即使是更厚且致密的正极在0.1 C下也呈现~8.0 mAh cm-2的高面容量。

这种以掺杂金属杂原子的电催化剂作为高效硫载体结合致密硫正极的设计策略，为在贫电解液条件下构建高体积能量密度、高面容量的锂硫电池提供了一种很好的方法。

图3. 致密且厚的S/Co-MoSe2/MXene硫正极在贫电解液下的电化学性能。

文章链接

Wei Wang, et al, Ultrahigh-Volumetric-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries with Lean Electrolyte Enabled by Cobalt-Doped MoSe2/Ti3C2Tx MXene Bifunctional Catalyst, ACS Nano, 2021, 15, 7, 11619-11633, DOI: 10.1021/acsnano.1c02047.

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02047

通讯作者介绍

李运勇教授。

广东工业大学材料与能源学院教授/博士生导师, 广东省电化学储能电池和太阳能转换与储存材料工程技术研究中心主任, 广东省青年珠江学者、广东省杰出青年科学基金（省杰青）和珠江科技新星获得者。主要围绕新型石墨烯和 MXene等二维纳米能源材料的微纳结构设计、电子结构调控、合成机制研究及其在高效的超级电容器、锂/钠离子电池、锂硫电池等电化学储能和电催化领域开展基础和应用研究，在 Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Nano Energy, Appl. Catalysis B-Environ.等国际权威期刊发表学术文章 50余篇，其中IF>10 的20余篇，1 篇被《Nature》作专题报道, 单篇最高引用超600次，申请和授权发明专利近30项。目前主持和合作主持10余项国家及省部级等课题研究，包括主持国家自然科学基金项目2项，广东省杰出青年基金项等，担任广东省材料研究学会青年工作委员会副秘书长、《Rare Metals》青年编委、国家自然科学基金通讯评审专家以及广东省科技咨询专家等学术兼职。个人学术简介详见：https://yzw.gdut.edu.cn/info/1147/2690.htm

第一作者介绍

王伟博士研究生。

广东工业大学李运勇教授的博士研究生，研究方向为过渡金属硫族化物在锂硫电池中的应用研究。

课题组介绍

广东工业大学材料与能源学院的材料科学与工程学科为广东省“211工程”重点建设学科、广东省攀峰重点学科，具有材料科学与工程一级博士授权点和博士后科研流动站,为全球ESI前1%的学科。课题组的研究工作主要依托广东省功能软凝聚态物质重点实验室、广东省发改委储能材料与器件工程实验室、广东省新能源材料与器件粤港合作基地等平台开展工作。研究团队长期从事超级电容器、锂硫电池和锂/钠离子电池等电化学储能器件的基础与应用研究，特别是在石墨烯和MXene等二维基储能材料的研究领域取得了丰硕的成果，现已建立了完备的扣式和软包电池实验室装配线，并拥有近 800平方米的材料制备和性能表征实验室，课题组长期与香港城市大学、香港理工大学、澳大利亚伍伦贡大学、美国马里兰大学等单位进行密切的学术交流与合作。

课题组招聘

课题组长期招收博士后年薪30万元起+奖励

一、研究方向：

（1）高性能锂金属电池、钾离子电池研究；

（2）锂硫电池、超级电容器电极材料研究；

（3）电池材料相关理论计算等

二、申请条件

基本条件：原则上，申请人应在近三年内获得博士学位，品学兼优，身心健康，年龄在35周岁以下。申请人进站后需在广东工业大学全职从事博士后研究工作。博士期间发表较高水平SCI论文2篇及以上。

三、待遇

1. 工资待遇：基础年薪30万元起+奖励（科研奖励：在站期间获得国家基金（含青年基金）或中国博士后科学基金特别资助者，学校一次性发奖励5万元。在站期间获得的高水平科研成果（论文、专利、项目等）奖励按学校相关科研奖励办法给予奖励。

2. 国（境）外机构联合培养与交流（带薪）：经本人申请，条件优秀的博士后可以直接申请去境外或国外联合培养。

3. 留校工作政策：学校为优秀博士后提供留校优先政策。

详情请见：广东工业大学博士后招聘网站：https://rscbgb.gdut.edu.cn/info/1052/1002.htm

另外，广东省青年人才引进政策：

(1)广东省“珠江人才计划”海外青年人才引进博士后资助项目。采取“核实认定、不限名额” 的方式，面向全球排名前200（四大排名中任何一个）的高校引进国（境）外博士毕业生来粤从事博士后工作。省财政给予进站博士后每人每年额外30万元生活补贴，资助期限为2年。出站后留在广东省工作的，省财政给予每人40万元住房补贴;

(2)“青年优秀科研人才国际培养计划”。广东省每年资助100名优秀在站博士后科研人员、申请进博士后流动站的应届博士毕业生到国外（境外）高校、科研机构、企业的优势学科领域，合作开展博士后研究工作，每人资助40万元。每年选派200名优秀博士、博士后赴国（境）外开展短期培训和学术交流活动。每年选派100名优秀博士、博士后作为访问学者赴国（境）外访问进修、合作研究，派出时间一般为6至12个月。

四、联系方式

招聘长期有效，有意向者请将个人相关信息（含个人简历及研究成果）发至278589181@qq.com，应聘者请将邮件主题命名为：“姓名-应聘XX”，并在邮件中注明可到岗时间。此外，课题组也常年招收硕士和“申请-考核制”博士生，欢迎有材料、化学和高分子等专业背景的报考。

诚挚欢迎有志于在相应研究领域中得到锻炼、做出成果的优秀人才加入我们的团队共同奋斗。