郑州大学张鹏/邵国胜/苗富军AFM：工程设计具有协同多硫化物调控的三纳米层VN/C@TCF阴极助力高性能锂硫电池

第一作者： Jing Lan

通讯作者： 张鹏、邵国胜、苗富军

通讯单位： 郑州大学

硫具有无与伦比的理论能量密度（ 2600 Wh kg ⁻¹ ）和成本效益，对锂离子技术以外的储能系统的追求将锂硫（ Li-S ）电池推向了前沿。然而，锂硫电池面临三个基本挑战： 1) 硫 /Li ₂ S 的绝缘性； 2) 灾难性的 80% 体积膨胀； 3) 多硫化锂（ LiPS ）的寄生梭效应，共同引发反应动力学迟缓，侵蚀容量保持和循环寿命。

在这里，作者开发了一种不对称自支撑阴极，其特点是二氧化钛修饰的碳纳米纤维与包裹氮化钒催化剂的中空碳壳协同集成（ VN/C@TCF ）。

要点 1. 本文报道的不对称自支撑阴极具有优异的性能指标，包括在 0.1 C 时具有 1417.9 mAh g ^-1 的高初始放电容量和在 5 C 时具有 803.2 mAh g ^-1 的卓越倍率容量。在高硫负荷（ 8.1 mg cm ^-2 ）和稀薄电解质（ E/S 比 = 4.8 μ L mg ^-1 ）的严格操作条件下，电极在 80 次循环后仍能保持令人印象深刻的 6.30 mAh cm ^-2 的面容量。

要点 2 . 与传统结构不同，这种分层结构的 “三纳米层”体系建立了顺序的减缓机制： (1) 内层的 TiO ₂ 纳米粒子提供了多硫化物的化学固定；（二）中间中空碳壳实现物理约束； (3) 外层 VN 纳米片具有化学锚定能力。结合密度泛函理论计算和实验分析表明， VN/C@TCF 结构同时提高了电导率，表现出优异的催化活性，并在电化学循环过程中适应体积变化。

图 1 ： a) VN/C@TCF 的制作工艺示意图， b) TCF, c) C@TCF, d) V ₂ O ₃ /C@TCF, e) VN/C@TCF, f,g) VN/C@TCF 不同放大倍数下的 TEM 图像， h) 高分辨率透射电镜图像， i,j) 快速反傅立叶变换（ IFFT ）图像和晶格间距， k) VN/C@TCF 的高角度环 形暗场图像和相应的 c ， N ， O ， Ti ， V 的元素映射图像。

图 5:a) TCF 、 V ₂ O ₃ /C@TCF 和 VN/C@TCF 的倍率性能， b) 0.1 C 电流密度下的充放电曲线， C) 5 C 充放电曲线， d,e) 0.5 C 下 300 次循环前后的 Nyquist 图， f) 0.5 C, g) 1 C 下各种材料的循环性能。

参考文献： Jing Lan, Ruohan Hou, Guangpei Wang. et al. Engineering Triple-Nanolayer VN/C@TCF Cathode with Synergistic Polysulfide Regulation for High-Performance Li-S Batteries. Advanced Functional Materials . (202 5 ).

文献链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202421930

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