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Nat. Commun.：基于同軸CNTs@TiN-TiO2海綿的長(zhǎng)壽命高面積容量鋰硫電池

異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)為鋰硫電池中多硫化鋰轉(zhuǎn)化的理想催化劑體系開辟了新的機(jī)遇。然而，其傳統(tǒng)的制備工藝復(fù)雜，難以合理控制各組分的含量和分布。

日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)Yabing Qi等人為合理設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用原子層沉積(ALD)方法制備了基于化學(xué)氣相沉積 (CVD)制備的三維獨(dú)立CNT框架的同軸CNTs@TiN-TiO₂海綿，以作為功能性硫載體。

圖1 CNTs@TiN-TiO₂的制備過程及其多硫化物轉(zhuǎn)化催化過程示意圖

通過控制CNTs外表面TiO₂和TiN層的厚度，并結(jié)合退火后處理，由10 nm TiN 包裹5 nm TiO₂的CNTs雜化衍生的同軸CNTs@TiN-TiO₂海綿表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。相應(yīng)的Li-S 電池在0.2 C下具有1431 mAh g^-1的高比容量，在2 C下循環(huán)500次后容量保持率高達(dá) 85%。

圖2 多硫化鋰的吸附實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的XPS表征

性能提高的主要原因是TiN-TiO₂內(nèi)的連續(xù)界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)使TiO₂先吸附多硫化鋰，然后很容易將多硫化物擴(kuò)散到TiN中進(jìn)行后續(xù)的電化學(xué)催化。同時(shí)，在高導(dǎo)電性碳納米管的協(xié)同作用下，TiN有效地催化多硫化物轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i₂S₂/Li₂S。

此外，3D CNTs海綿的多孔結(jié)構(gòu)和相互連接的導(dǎo)電通路有助于容納大量硫并保證其有效利用。結(jié)果，基于同軸CNTs@TiN-TiO₂海綿的Li-S電池的面積容量高達(dá)21.5 mAh cm^?2，遠(yuǎn)高于商業(yè)化鋰離子電池的面積容量（4 mAh cm^?2）。

圖3 電化學(xué)循環(huán)性能

Long-life lithium-sulfur batteries with high areal capacity based on coaxial CNTs@TiN-TiO2 sponge. Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-24976-y

原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/27/97b3b1bca6/

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