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張鵬/邵國(guó)勝/丁彬AFM：“三區(qū)”配置硫正極實(shí)現(xiàn)大面容量鋰硫電池！

鋰硫（Li–S）電池商業(yè)應(yīng)用的一個(gè)主要障礙在于硫的負(fù)載不足，這歸因于充放電的巨大體積變化、硫和相關(guān)硫化物的差導(dǎo)電性以及鋰多硫化物（LiPS）的穿梭效應(yīng)。

鄭州大學(xué)張鵬、邵國(guó)勝、東華大學(xué)丁彬等提出了一種通用的“三區(qū)”結(jié)構(gòu)，包括：區(qū)域I（硫源區(qū)）、區(qū)域II（LiPS電催化區(qū)）和區(qū)域III（多功能屏蔽），用于大面容量Li–S電池。

圖1 Li-S電池的三區(qū)域正極示意圖及材料表征

這種結(jié)構(gòu)包括石墨烯負(fù)載硫的底部、由TiN負(fù)載CNF制成的LiPS吸附和氧化還原中間區(qū)，以及由自組裝MXene制成的防止LiPS穿梭的鎖蓋。這種集成的正極組配置具有柔性、功能化的碳網(wǎng)絡(luò)和MXene，可為離子和電子提供高導(dǎo)電路徑，對(duì)氧化還原動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性非常有益。

TiN修飾的CNF支架提供了豐富的吸附位點(diǎn)來(lái)錨定可溶性LiPS，從而促進(jìn)硫化鋰的原位成核和生長(zhǎng)。此外，由于 MXene更強(qiáng)的吸附能力，任何殘留的LiPS都可以被MXene屏蔽，以免從正極區(qū)域擴(kuò)散。

圖2 多硫化物的屏蔽及Li₂S的沉積溶解過(guò)程

實(shí)現(xiàn)顯示，三層的協(xié)同功能可實(shí)現(xiàn)快速氧化還原動(dòng)力學(xué)、高循環(huán)穩(wěn)定性、優(yōu)異的倍率性能、高可逆面積容量（11.4 mAh cm^-2,10 mg cm^-2）和高全電池能量密度（293.5 Wh Kg^-1, 10.7 mg cm^-2)。

令人印象深刻的是，在彎曲甚至部分損壞的情況下，軟包電池仍然可以正常工作，顯示出優(yōu)異的安全性。這項(xiàng)工作為改善高硫負(fù)載正極的電化學(xué)性能提供了一種新的策略，有助于Li-S電池的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。

圖3 電化學(xué)性能

A “Three-Region” Configuration for Enhanced Electrochemical Kinetics and High-Areal Capacity Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200302

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