武汉理工赵焱，麦立强Chem.Eng.J.：梯度固硫隔膜增强多硫化物吸附用于高性能锂硫电池- 大数跨境

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武汉理工赵焱，麦立强Chem.Eng.J.：梯度固硫隔膜增强多硫化物吸附用于高性能锂硫电池

科学材料站

2021-05-07

导读：本文采用磁控溅射的方法在隔膜内部构建了TiB2导电极性化合物的梯度分布的结构。

引言

随着全球对能源需求的不断高涨，高能量密度、高容量的储能器件已经成为能源领域关注的焦点。锂硫电池因其超高的理论容量（1675 mAh/g）和能量密度（2600 Wh/Kg），有望成为下一代储能系统的有力候选者。

尽管锂硫电池已经经过几十年的研究和发展，但是锂硫电池商业化应用仍然受限于诸多因素。其中，尤其是多硫化物的溶解及其穿梭效应，严重造成了的活性物质的损失，最终导致电池容量迅速衰减，缩短电池寿命。

由于可溶性多硫化锂的存在，因此对于锂硫（Li-S）电池隔膜的要求要远高于锂离子电池，因此，开发功能性隔膜是锂硫电池的重要研究方向之一。然而，为了实现最优阻隔多硫化物穿梭的能力，大多的数隔膜修饰依靠在隔膜的一侧“装备”一层厚而重的“防护墙”，以达到阻隔多硫化物穿梭的目的。这种厚而重的修饰层不仅难以在隔膜上稳定地存在，同时额外的质量负担会大大降低锂硫电池高的能量密度。因此，隔膜修饰工程需要同时具备最少修饰材料的使用量，并且同时能最有效抑制多硫化物的穿梭。

文章简介

基于此，武汉理工大学赵焱教授和麦立强教授（共同通讯作者）以“Gradient sulfur fixing separator with catalytic ability for stable lithium sulfur battery”为题在Chem.Eng.J.上发表了文章。

其中，博士研究生李岩为该工作的第一作者。本文采用磁控溅射的方法在隔膜内部构建了TiB2导电极性化合物的梯度分布的结构。由于隔膜中不规则的多孔通道以及磁控溅射扩散的特点使溅射粒子在隔膜内部扩散，并且粒子数量逐渐减少，最终形成梯度分布。

多硫化物不仅在隔膜表面受阻，而且在隔膜内部不断被化学吸附，强烈抑制了多硫化物的穿梭效应。由于导电的TiB2极性化合物在隔膜中呈梯度分布，溶解在电解质中的多硫化物可以吸附在TiB2纳米粒子上，可以重复使用继续参与氧化还原反应提供容量。

此外，TiB2改性的隔膜对电解质的润湿性较好，有利于离子的传输。同时，TiB2改性隔板的机械强度和热稳定性得到了很大提高，提高了电池的安全性，有利于Li-S电池的商业化应用。

通过原位拉曼和第一性原理计算表明，采用TiB2/PP隔膜的锂硫电池能够有效的阻隔多硫化物的穿梭，并且一系列电化学测试也验证了TiB2/PP隔膜的循环稳定性，在0.5 C下的初始容量为1313 mAh g-1, 经过100多次循环后，容量保持率高达90%。

此外，该电池在电流密度为2 C时具有良好的循环稳定性，在550次循环中，每循环的容量衰减仅为0.026%。

图文介绍

图1. TiB2/PP隔膜的合成与结构表征（a） TiB2/PP隔膜合成示意图（b，c）TiB2/PP隔膜的SEM图像 (d，e）隔膜截面钛元素的线扫描。

图2. a.TiB2 / PP隔膜和（b）PP隔膜与电解液的接触角测试。（c）TiB2 / PP隔膜的热重测试和（d）TiB2 / PP隔膜和PP隔膜的力学性能测试

图3.. TiB2 / PP和PP隔膜的电化学性能。（a）TiB2 / PP和PP隔膜的倍率性能。（b）TiB2 / PP隔膜在不同速率下的恒电流充放电曲线。（c）TiB2 / PP和PP隔膜在0.5 C的100圈循环性能。（d）TiB2 / PP，TiO2 / PP和TiN / PP隔膜在0.5 C的100圈循环性能。（e）TiB2 / PP隔膜在2 C的电流密度下的长循环性能。

图4.使用（a，b）PP和（c，d）TiB2 / PP隔膜的电池在0.2 C放电过程中获得的原位拉曼光谱。

图5.可视化穿梭实验（a）PP隔膜。（b）TiB2 / PP隔膜。（c）S8和Li2Sn（n = 1、2、4、6、8）吸附在TiB2（101）表面上的优化结构。

小结

总之，此工作结合理论计算及电化学性能，证明了在梯度固硫这种思路实现了对多硫化物有效的阻隔。

该工作为锂硫电池隔膜修饰工程的研究提供了新的方向，尤其在制备梯度隔膜修饰层的发展上，实现了高能量密度和高稳定性的锂硫电池，有力推动了后续锂硫电池在能源储存中的实际应用。

通讯作者介绍

赵焱武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室首席教授

主要从事计算化学、纳米材料合成与模拟和3D打印的研究工作，赵焱是美国惠普公司3D打印技术的主创人员之一，获美国和国际专利25项，在其研究领域的国际权威刊物上发表高水平研究论文120余篇, SCI引用超过45000余次, 其中M06方法论文单篇引用超过16000次，H因子为56，10年来的高被引文章(Highly Cited Papers)为7篇，2014-2017连续4年都被美国汤森路透集团和科睿唯安公司列入全球高被引科学家名单。

麦立强武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师

现任国际期刊Chemical Reviews、Advanced Materials客座编辑、Accounts of Chemical Research、Joule、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials国际编委、Nano Research编委、《功能材料》编委、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。

麦立强教授长期从事纳米能源材料与器件研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线全固态电化学储能器件。发表SCI论文300余篇，包括Nature 1篇、Nature Nanotechnology 2篇、Joule 2篇、Chem 2 篇、PNAS 2篇、JACS 2篇和EES 1篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告50余次。作为会议主席举办Nature能源材料会议、Nature太阳能燃料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。主持国家重大科学研究计划课题、国家国际科技合作计划、国家自然科学基金重点项目等30余项科研项目。

获国家自然科学奖二等奖（第一完成人，2019）、科睿唯安全球高被引科学家（2019,2020）、教育部自然科学一等奖（2018）、英国皇家化学会中国高被引作者（2017）、第十四届中国青年科技奖（2016）、第十一届光华工程科技奖青年奖（2016）、EEST2018 Research Excellence Awards（2018），入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。

文章链接

Gradient sulfur fixing separator with catalytic ability for stable lithium sulfur battery

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721016922