第一作者：Shixun Yang

通訊作者：向明武、郭俊明、侴術(shù)雷

通訊單位：云南民族大學(xué)、溫州大學(xué)

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多硫化物引起的嚴(yán)重穿梭效應(yīng)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩一直是降低鋰硫電池實(shí)際能量密度的主要因素。同時(shí)平衡多硫化物的表面吸附和氧化還原轉(zhuǎn)化是非常重要的。

本研究提出了一種新的策略，通過原位構(gòu)建TiO₂/TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)和氮摻雜的多功能碳夾層，用于改善鋰硫（Li-S）電池中多硫化物的表面吸附和電化學(xué)轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)利用低毒性的氮?dú)鈿夥蘸蜕虡I(yè)三聚氰胺泡沫作為碳源和氮源，通過水解和煅燒工藝在較低溫度下制備而成。TiO₂納米粒子在煅燒過程中部分原位轉(zhuǎn)化為TiN，形成了TiO₂/TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)不僅提供了高度導(dǎo)電的三維網(wǎng)絡(luò)，還通過化學(xué)協(xié)同作用增強(qiáng)了對(duì)可溶性多硫化物的吸附能力，并促進(jìn)了其電化學(xué)轉(zhuǎn)換。使用這種多功能碳間層的鋰硫電池展現(xiàn)了優(yōu)異的初始放電容量、循環(huán)穩(wěn)定性和高硫負(fù)載下的面積容量。

圖文導(dǎo)讀

圖1：NCFI@T₁₅₀間層的制備示意圖和不同放大倍數(shù)的場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）圖像，以及透射電鏡（TEM）和高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像，展示了TiO₂/TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成。

圖2：通過X射線衍射（XRD）、拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）等對(duì)NCFI和NCFI@T₁₅₀樣品進(jìn)行了表征，確認(rèn)了TiO₂/TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)和氮摻雜的存在。

圖3：不同夾層對(duì)鋰硫電池電化學(xué)性能的影響。

圖4：紫外-可見光譜（UV-vis）和XPS分析了NCFI和NCFI@T₁₅₀樣品對(duì)Li₂S₆溶液的吸附能力，以及密度泛函理論（DFT）計(jì)算了不同摻雜氮和TiO₂/TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)LiPSs的化學(xué)吸附效應(yīng)。

圖5：不同夾層對(duì)鋰硫電池充放電曲線、電位差（ΔE）、Q2/Q1比率和CV曲線的影響，以及不同掃描速率下的線性擬合和Li⁺擴(kuò)散系數(shù)的比較。

圖6：解釋了NCFI@T₁₅₀夾層在鋰硫電池中硫的氧化還原過程的作用。

總結(jié)展望

本研究成功開發(fā)了一種無需使用氨氣和額外氮源的策略，通過簡單的水解和煅燒方法制備了三聚氰胺泡沫衍生的TiO₂/TiN異質(zhì)結(jié)構(gòu)和氮摻雜改性的多功能碳間層。這種夾層不僅提高了對(duì)多硫化鋰的吸附能力，還加速了其電化學(xué)轉(zhuǎn)換，有效抑制了鋰硫電池中的穿梭效應(yīng)，并顯著提高了電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為制備高性能鋰硫電池提供了一種有前景的策略。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：In Situ Constructing a TiO2/TiN Heterostructure Modified Carbon Interlayer for Balancing the Surface Adsorption and Conversion of Polysulfides in Li–S Batteries

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202400648