北京化工大学|J. Mater. Chem. A. 综述：二维插层材料LDHs应用于高性能锂硫电池的研究进展- 大数跨境

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北京化工大学|J. Mater. Chem. A. 综述：二维插层材料LDHs应用于高性能锂硫电池的研究进展

科学材料站

2020-11-05

导读：该综述系统讨论了LDHs在Li–S电池中的研究进展。作者总结了近年来将LDHs直接用于S正极，隔膜和锂金属负极中的相关工作。

文章信息

LDHs及其衍生物应用于锂硫电池

第一作者：崔俊雅

通讯作者：栗振华*，邵明飞*

单位：北京化工大学

研究背景

随着便携式电子设备和电动汽车的不断发展，高性能储能设备的开发逐渐引起人们的重视。锂硫（Li–S）电池由于具有较高的理论比容量（硫正极：1675 mA h g-1；锂负极：3860 mA h g-1）、低毒性、低成本等优势，被认为是未来最有前途的高性能电池之一。

然而，Li–S电池目前仍存在诸多不足，主要包括：1、充放电过程中S的体积会发生很大变化（> 80％），会造成S正极活性组分的脱落；2、金属锂负极在循环过程中容易形成锂枝晶，会刺穿隔膜造成安全问题；3、放电中间产物（多硫化物）在放电过程中能穿梭到负极与金属锂反应造成严重的“穿梭效应”，这大幅降低了电池的库仑效率和循环寿命。

近年来，二维（2D）纳米材料由于其独特的物理化学特性被广泛用于高性能硫正极、隔膜和锂负极。

在众多2D材料中，层状双金属氢氧化物（LDHs）作为一类插层结构材料，由于其具有层板金属元素和层间阴离子种类、比例高度可调的特点，在储能和催化等领域展现出独特优势。LDHs及其衍生物具有较好的吸附和催化多硫化物转化的能力，已成功作为S宿主材料用于S正极。

此外，LDHs的具有可剥层性和表面结构可调控等特点，在设计超薄多硫化物隔膜和促进金属锂均匀沉积方面同样展现出独特优势。在本文中，作者归纳总结了LDHs及其衍生物在Li–S电池中的最新研究进展。同时从基础研究和实际应用的角度提出了LDHs在Li–S电池中应用所存在的挑战，并就如何进一步理解和解决这些问题进行了讨论。

文章简介

近日，北京化工大学化学学院邵明飞教授课题组在国际知名期刊J. Mater. Chem. A.（影响因子：11.301）上发表题为“Layered double hydroxides and their derivatives for lithium-sulfur batteries”的综述文章。

该综述系统讨论了LDHs在Li–S电池中的研究进展。首先，作者总结了近年来将LDHs直接用于S正极，隔膜和锂金属负极中的相关工作。同时总结了LDHs衍生物在Li–S电池中的应用，包括金属硫化物，氮化物，磷化物和多孔碳等。最后，作者从基础研究和实际应用的角度提出了LDHs在Li–S电池应用中存在的挑战和潜在研究方向。

图1. LDHs应用在Li–S电池的优点（结构设计，衍生物，性能定制）。

本文要点

要点一：LDHs在Li–S电池上的优势

LDHs是一类典型的类水镁石结构层状材料，其主体层板由金属-氧八面体共边形成，结构通式为[M2+1-xM3+x (OH)2]z+(An−)z/nyH2O，其中M2+和M3+分别为二价（如Mg2+, Ni2+, Co2+, Zn2+，或 Fe2+）和三价金属阳离子（如Al3+, Fe3+, Cr3+ 或 Ga3+），An−为补充层板正电荷的层间阴离子。由于LDHs具有层板金属元素和层间阴离子种类、比例高度可调的特点，这使其插层结构和电子结构从宏微观角度均具有高度可调性。

LDHs的主要结构特征如下：

1、LDHs可以通过简单的物理或化学方法剥离成厚度仅为0.48 nm的单层结构，这在设计超薄多硫化物阻隔膜方面表现出独特优势；

2、通过原位生长方法，可以将LDHs设计成多种纳米结构，包括纳米花微球、超薄纳米片阵列、纳米核壳结构等，这些结构由于具有丰富的通道结构、较大的比表面积，可以作为高性能S载体；

3、 LDHs可以扑转变为各种过渡金属化合物（例如，硫化物，磷化物，氮化物等）以及2D多孔碳纳米材料，这些衍生物继承了LDHs的独特2D结构，具有高度暴露的活性位点和增强的电荷传输性能，在设计S载体和隔膜方面同样显示出独特优势。

要点二：前瞻

虽然LDHs基纳米材料在Li–S电池中已经取得了一定进展，但这一领域仍面临着严峻的挑战。比如对于S正极，目前主要是通过结构和材料设计提升其对硫和多硫化物的限域和催化性能，但LDHs在催化多硫化物过程中的本征反应研究还不够透彻。通过借助于高精密仪器和原位表征技术来揭示反应过程中的材料配位和电子结构的变化，可为高性能LDHs功能材料的设计提供指导；另外LDHs材料设计方面可以进一步通过化学掺杂以及与导电材料（如石墨烯、多孔碳材料、过渡金属、导电聚合物等）复合，不仅有助于提高捕获和催化多硫化物转化的能力，同时能够有效提升电子传输能力。

对于隔膜而言，目前研究主要集中于如何抑制多硫化物穿梭，但2D材料致密的堆积结构也阻碍了Li+的扩散。作者认为将LDHs与高导锂材料进行有序组装来制备具有“导锂阻硫”性能的超薄膜是一种可行的策略，这不仅可以高效抑制多硫化物的穿梭效应，也确保了Li+的快速传导。

此外对于金属锂负极，虽然LDHs通过表面结构调控成功实现了诱导金属锂均匀成核，但长循环过程中由于金属锂和电解液接触仍存在副产物积累以及SEI膜破裂等问题。在此，作者认为结合LDHs的超薄层状结构和高暴露的活性位点优势构建人工SEI膜将成为未来研究方向之一。此外，对于LDHs自身而言，目前LDHs及其衍生物在合成方面仍存在成本高昂、步骤繁琐、条件苛刻等问题。

因此，有必要在结构优化的同时探索更为简单的制备工艺。其中电化学沉积由于具有简单便捷，绿色且易于放大化制备等优点，是制备纳米结构LDHs很有前途的方法。

此外，LDHs自身元素具有丰富可调性，其衍生物也多种多样。虽然可以满足Li–S电池的不同需求，但目前LDHs基电极材料的设计还是基于经验和传统试错法，工作量庞大。可以尝试通过“材料基因组”计划将Li–S电池功能需求与LDHs结构特点进行归纳总结，进而实现从虚拟的结构功能设计转化到实际的材料制备及电化学性能强化上。

文章链接

“Layered double hydroxides and their derivatives for lithium-sulfur batteries”

https://doi.org/10.1039/D0TA08573A

通讯作者介绍

邵明飞，北京化工大学化学学院/化工资源有效利用国家重点实验室，教授，博士生导师，

国家优秀青年基金获得者。研究方向为插层化学与能源材料、先进储能器件、光电催化化学等，在Chem、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc、Adv. Mater.等发表SCI论文70余篇；12篇论文入选ESI高被引TOP 1%论文；论文被引6100余次，H因子为39 (截至2020年10月)；入选RSC TOP 1%中国高被引作者；以第一作者撰写英文专著章节1章。相关工作申请国家发明专利12项，其中7项获得授权。为《中国科学：化学》、《物理化学学报》、《Chinese Chemical Letters》杂志青年编委。