华南先进光电子研究院王新课题组 在JACS、AFM及Nano Energy期刊发表锂硫电池系列研究成果
近日，华南先进光电子研究院王新课题组与我校特聘教授、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士陈忠伟教授在SCI影响因子14.7的《JACS》、影响因子15.6的《Advanced Function Materials》（内封面文章）和影响因子15.5的《Nano Energy》发表锂硫电池研究成果。其中《Advanced Function Materials》和《Nano Energy》论文以我校为第一单位。《JACS》论文以我校为共同通讯作者单位，河北工业大学张永光副教授、硕士研究生崔国梁、滑铁卢大学李高然博士等为论文的第一作者。
锂硫电池具有比能量密度高(2500 Wh kg-1)、环保、成本低等优点，被认为是一种很有前途的储能系统。然而，锂硫电池的广泛应用仍然受到几个主要技术问题的阻碍，包括硫的绝缘性、多硫化物的溶解和穿梭行为以及锂化/脱锂过程中体积变化大等，课题组针对锂硫电池问题进行深入研究。
《Advanced Function Materials》论文题目为《Hierarchical Defective Fe3‐xC@C Hollow Microsphere Enables Fast and Long‐Lasting Lithium–Sulfur Batteries》。研究开发了一种独特的富含Fe空位的Fe3-xC@C中空微球作为Li-S电池中的载硫材料。实验和计算结果表明，富含Fe空位的Fe3-xC较普通Fe3C相比表现出更强的吸附LiPS能力，并且对于LiPS转化表现出优异的催化性能，从而可以有效抑制穿梭效应并实现快速的硫氧化还原动力学。同时，Fe3-xC所具有的中空和多孔结构不仅能够使得反应活性位点充分暴露，而且与表面碳包覆层协同构建了电子和离子的快速传输通道，进一步有助于快速稳定的硫电化学转化过程。归因于上述结构特征，基于Fe3-xC@C的硫电极表现出出色的Li-S电池性能：面容量高达5.6 mAh cm-2，即使在5C的高倍率下也可以正常工作，在长达1000周的长循环后容量保持率达60%。该研究工作首次引入富含Fe空位的Li-S电池硫载体材料，开拓了一种新的空位工程设计方式，为实现高性能Li-S电池提供了新的见解。
该研究工作被MaterialsView.com报道，网址为 https://www.materialsviewschina.com/2020/04/44624/ 。
论文原文链接： https://DOI:10.1002/adfm.202001165 。
《Nano Energy》论文题目为《Three-dimensionally ordered macro-microporous metal organic frameworks with strong sulfur immobilization and catalyzation for high-performance lithium-sulfur batteries》。研究开发了一种由大量均匀分散的ZIF-8纳米亚基构成的具有三维有序大/微孔结构的3DOM ZIF-8材料。大孔3DOM骨架和微孔ZIF-8纳米颗粒的协同作用，不仅有利于电解质的渗透，加快电子与活性物质的传输，还可以使硫分布均匀，抑制活性物质在电解液中的溶解，提高硫的利用率。此外，3DOM ZIF-8中丰富的活性界面通过Lewis酸碱作用对多硫化物提供了较强的吸附作用与良好的催化作用，不仅对多硫化物的穿梭效应有明显的抑制作用，而且对硫的氧化还原反应动力学有良好的促进作用。得益于这些优势，所开发的S/3DOM ZIF-8电极材料具有良好的电化学性能，不仅在500次长循环中表现出优异的循环稳定性，每循环的容量衰减率仅为0.028%，还具有优异的倍率性能，在2 C下的放电比容量达到了803 mAh g-1。此外，在高硫负载量和贫电解液的条件下，还可以获得高于6 mAh cm-2的高面容量和较好的循环性能。3DOM ZIF-8在锂硫电池中的成功应用，为设计高性能锂硫电池的先进电极材料提供了一条新的途径，并可推广到电催化、超级电容器、金属-空气电池等相关领域。
论文原文链接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104685 。
《JACS》论文题目为《Polysulfide Regulation by the Zwitterionic Barrier toward Durable Lithium–Sulfur Batteries》。在液态Li-S电池中，对多硫化物的行为进行合理调控对于改善电池稳定性至关重要。本研究开发出一种独特的聚合物型两性离子(PZI)来实现对多硫化物的智能调控。这种PZI将亲硫性与亲锂性集成在同一个聚合物基质中，通过与多硫化物之间的化学相互作用营造了选择性离子传输的环境。研究人员将其用作Li-S电池功能性中间层后发现其对多硫化物有强烈的阻挡作用而可以允许锂离子穿过，因此能够显著抑制多硫化物穿梭问题。基于PZI的电池在长达1000周的深度循环中平均每周容量衰减率只有0.012％，在5C的高倍率下也可以正常工作。此外，研究人员在高硫载量和少量电解液条件下对电池电化学性能进行了测试，300周后电池面容量仍有5.3mAh/cm2。还工作表明这种两亲性聚合物界面层有望在实际锂硫电池体系中得到广泛应用。
论文原文链接： https://doi.org/10.1021/jacs.9b13303 。