能带工程助力锂硫电池

Research News

Enhancing Catalytic Activity of Titanium Oxide in Lithium–Sulfur Batteries by Band Engineering

Yuankun Wang, Ruifang Zhang, Jie Chen, Hu Wu, Shiyao Lu, Ke Wang, Huanglong Li, Christopher J. Harris, Kai Xi*, Ramachandran Vasant Kumar, Shujiang Ding*

DOI: 10.1002/aenm.201900953

Defect-rich heterojunction electrocatalysts based on CNT@TiO2-x nanosheets hybrids are designed. This versatile interface can enhance the adsorption strength of polysulfides (PS), facilitate the Li+/electron transfer, and promoter of electrocatalytic activity for PS redox. As a result, CNT@TiO2-x-S electrodes exhibit lower polarization, faster reaction kinetics, and longer cycle stability than CNT/TiO2-x-S and CNT@TiO2-S electrodes.

锂硫电池具有理论能量密度高、成本低廉等优点,在动力汽车,无人机,军事高能电源,规模储能等领域有重要的产业应用前景。然而,锂硫电池的产业化仍然面临循环寿命、安全性、和实际输出功率低等难题。硫正极在循环过程中中间产物多硫化锂的溶解和流失是电池失效的罪魁祸首。为了抑制多硫化物的穿梭,很多成功的案例通过设计各种硫宿主材料对其电化学反应过程进行调节,提高电池的性能。但是,锂硫电池中的电催化反应机制,如何从原子尺度设计和理解有针对性的催化载体,还有待和深入的研究。

近日,西安交通大学丁书江课题组与剑桥大学郗凯博士合作设计开发了富含氧缺陷的二氧化钛纳米片直接生长在多壁碳纳米管上的复合材料作为锂硫电池的载体。作者从能带工程角度出发,通过理论计算发现氧缺陷和异质结构能有效促进载体材料对多硫化物的相互作用并提高硫电极的电化学催化活性。光谱学技术和电化学分析技术证明了氧缺陷可有效的活化和吸附多硫化物,同时降低锂离子在载体材料表面的扩散能垒。此外,由于复合材料亲电子能力的差异,导致电子在异质界面处快速交换,进一步提升催化活性。将该复合材料作为硫的载体,硫正极表现出优异的电化学性能。该工作为锂硫电池催化剂的设计提供了一种新思路。

相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.201900953)上。该论文的第一作者为西安交通大学理学院博士生王元坤,通讯作者为西安交通大学丁书江教授和剑桥大学郗凯博士。