渤海大学J. Alloys Compd.：基于双重协同策略设计高硫负载TiO2@yV2O5双功能复合电极实现对多硫化锂的高效吸附

1.背景介绍

近年来，锂硫电池作为新一代储能器件具有较高的理论比容量（1675 mAh.g^-1）和能量密度（2600 Wh.kg^-1）、天然丰富且对环境友好引起了广泛关注。尽管如此，它的进一步应用仍然受到自身问题的限制，例如硫自身的导电性差，多硫化物的溶解和迁移造成严重的穿梭效应，放电过程中产生的难溶物质造成体积膨胀，锂枝晶等。研究人员已采用不同策略解决上述问题，例如，采用与多硫化锂有强相互作用的金属硫化物，氧化物和卤化物等极性复合材料，有效的化学吸附多硫化锂并抑制穿梭效应。众所周知，TiO₂是一种具有稳定结构的金属化合物，V₂O₅与硫之间具有强的相互作用，基于此，将两种化合物的优势相结合可以有效的提升电池的电化学性能。

2.成果简介

近日，渤海大学化学与材料工程学院蔡克迪教授和郎笑石副教授为共同通讯作者，硕士研究生王坦为第一作者通过简单的溶胶-凝胶工艺，双重协同策略设计出一种新型的具有优异吸附性的TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)双功能复合材料，并赋予高硫负载作为锂硫电池的正极。研究表明这种双功能材料充分发挥了TiO₂稳定性高和V₂O₅吸附力强的协同作用，加速充放电过程中多硫化锂的扩散、吸附和氧化还原动力学。并通过KOH的选择性刻蚀，设计合适的空腔结构缓冲体积膨胀并存储多硫化锂和硫。因此，基于空腔结构物理限制多硫化物的溶解，同时共价结合的化学方式固定硫，双重协同抑制了多硫化物的穿梭效应，使得锂硫电池体现出小的极化、大的硫利用率和稳定的循环性能。相关成果以题为“An excellent adsorptive TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045) bifunctional composite endowing high sulfur loading as cathode material for lithium-sulfur batteries”发表在Journal of Alloys and Compounds上。

3.图文导读

(a) TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)的XRD图

(b) TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)的能谱图

(a) TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)的Raman图

(b) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的Raman图

(c) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的热重分析

(a) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的循环伏安图

(b) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的交流阻抗图

(a-b) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)在0.1C、0.2C的首次充放电图

(c) TiO₂@yV₂O₅/S(y=0.025-0.045)的循环性能图

4.小结

本工作提供了简单有效的思路，通过调节KOH的用量设计了一种具有优异吸附性的且结构可控的TiO₂@yV₂O₅(y=0.025-0.045)双功能复合材料。增加了电子/离子传输通道，有利于硫的均匀负载和电解质的渗透，因此锂硫电池表现出优异的电化学性能。

5.作者简介

王坦，渤海大学分析化学专业2019级硕士研究生。研究生期间主要致力于高比能锂硫电池体系复合电极的设计、界面调控及电化学性能研究。自入学以来荣获国家奖学金，一等学业奖学金等奖项，荣获渤海大学优秀研究生，文体活动积极分子等荣誉称号。在Electrochimica Acta，Journal of Alloys and Compounds，International Journal of Energy Research等发表SCI论文4篇，在投ACS Sustainable Chemistry & Engineering，Journal of The Electrochemical Society论文2篇。申请发明专利6项，其中授权2项，包括1项澳大利亚专利。主持渤海大学研究生创新基金项目1项，参与国家自然科学基金面上项目1项及省部级项目2项。

郎笑石，博士，副教授，硕士生导师，1986年11月生于黑龙江省哈尔滨市。2015年7月毕业于哈尔滨工业大学化学工程与技术专业并获工学博士学位。目前在渤海大学化学与材料工程学院任教，并加入先进化学电源研究所从事锂硫电池、铅酸电池、锂离子电池、锂空气电池以及超级电容器等领域研究。近年来，主持或参与国家及省部级以上项目10余项。先后在Journal of Power Sources，Journal of Alloys and Compounds，Sustainable energy & Fuels，Electrochimica Acta等期刊发表学术论文30余篇。申请或授权国家发明专利20余项，并获辽宁省自然科学学术成果奖三等奖1项，锦州市自然科学学术成果奖一等奖1项，出版学术专著2部。

蔡克迪，教授，博士生导师，辽宁特聘教授，辽宁省"兴辽英才计划"青年拔尖人才，辽宁省"百千万人才工程"百人层次人选，现任渤海大学化学与材料工程学院副院长、渤海大学先进化学电源研究所所长，锦州市滨海新区管委会副主任（挂职）。2019年辽宁青年科技奖获得者，2018 年中国产学研合作创新奖获得者。辽宁省超级电容器工程技术研究中心副主任，辽宁钛及特种金属产业校企联盟副秘书长，中国超级电容器产业联盟青年理事，国家自然科学基金函评专家，ACS APPL MATER INTER，NANO ENERGY等二十余个国内外学术期刊评审专家。

主要从事能源化学与能源材料领域的基础应用研究，在新型化学电源体系、先进电极材料构建等方向开展了有意义的研究工作，尤其在金属空气电池、有机小分子燃料电池、混合型电容器等领域取得了卓有成效的成果。先后主持了国家自然科学基金（面上、青年）、中国博士后基金（特别资助、面上一等）、辽宁省科技厅重点研发计划、辽宁省自然科学基金重点项目等二十余项国家及省部级课题，并作为主要完成人参加了国家863计划、国家973计划等项目的研究工作，获辽宁省科技进步奖2项。先后在 ACS APPL MATER INTER 等国际知名学术期刊上发表论文80余篇，单篇最高引用122次，多篇文章入选 ESI 高被引论文。申报国家专利67件，其中授权56件（第一发明人27件），科技成果转化2项，直接或间接经济利润近千万元，主编《化学电源技术》等学术著作3部。

5.文章信息

Tan Wang, Kedi Cai*, Xiangshi. Lang*, et, al. An excellent adsorptive TiO₂@yV₂O₅ (y=0.025-0.045) bifunctional composite endowing high sulfur loading as cathode material for lithium-sulfur batteries, Journal of Alloys and Compounds, 2021, DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162650.

供稿人：渤海大学 王坦