Advanced Functional Materials:无机介质作用于有机硫活性材料:锚定与电催化

随着电子设备和电动汽车的快速发展,人们对于高能量密度电池的需求日益增加,具有低比容量的锂离子电池已不能够满足能源市场的需求。具有长硫链的有机硫化物(R-Sn-R,n≥3)是一类有前途的高容量正极材料。首先,它们可以减少在充放电过程中形成的高阶多硫化锂(LiPSs),从而降低LiPSs的穿梭效应,其次,采用有机硫正极材料可以降低电解液的用量,有利于提高电池的能量密度。另外,在锂-有机硫电池中,还可以通过灵活调整有机硫正极材料的官能团来提高电池的放电电压。然而,目前有机硫正极材料的导电性和循环稳定性差强人意。这主要是由于它们的放电产物RSLi和充放电中间体LiPSs在醚类电解液中的溶解性很好,溶解的RSLi和LiPSs可能会增加电解液的粘度,降低电解液的离子电导率。其次,还会降低锂电池中有机硫化物氧化还原反应的可逆性。为了解决这些问题,使用新型电极结构将活性物质固定在正极侧是至关重要的。有研究表明,在传统锂硫电池体系中,使用氧化物、硫化物、氮化物或者聚合物可以对电极表面进行化学修饰,对锚定无机多硫化物具有一定的作用。然而,关于有机硫电池中RSLi的相关研究仍然缺乏。此外,成功的改性不仅要表现出很强的化学吸附能力,还要有利于加快电极的反应动力学。二维分层过渡金属二硫化物TiS2因具有较高的锂离子扩散速率,高的极性比表面积以及高的催化性能,因此是一种非常有前景的改性正极材料的媒介物质。并且,最近研究还表明,TiS2可以吸附锂硫电池中的无机多硫化物,从而提高硫正极的循环稳定性。

基于TiS2的多功能特性,有机硫正极材料的研究现状及面临的问题,郑州大学付永柱教授课题组采用简单的真空抽滤的方法,将TiS2纳米片与碳纳米管自编织到一起,组装成多孔无粘结剂的复合碳纸(TiS2 NSs@MWCNT),然后将其作为苯基四硫(PTS)正极材料的集流体。实验结果表明,自编织的TiS2 NSs @ MWCNT由于其高度多孔的结构可以对活性物质进行有效的物理限域。同时,TiS2可以作为双功能介质,一方面,通过弱结合作用化学吸附PTS的放电产物PhSLi和中间产物LiPSs,另一方面,还可以促进PhSLi/LiPSs的转化反应,使PTS正极材料获得优异的电化学性能。PTS/TiS2 NSs@MWCNT复合正极在0.5 C电流密度下,循环200次后,可逆放电比容量为467.6 mAh g-1,此外,在0.5 C的电流密度,PTS负载量为5.8 mg cm-2,电解质/PTS比值为3.8 μL mg-1时,可获得901 Wh kg-1的高比能量。这项工作通过将有机硫化物和无机介质有效结合,为高性能锂电池的设计提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001493)上。