乔世璋阿德莱德大学和王海辉华南理工大学：2D MoN-VN异质结构控制多硫化物用于高效锂硫电池

【引言】

与锂离子电池相比，锂硫电池具低成本和低污染的特点，理论比容量高达~1675 mA h g^-1。然而，中间体多硫化锂（LiPoSs）的溶解度较低，导致Columbic效率低和容量衰减快。此外，由于缺乏理论指导，原子级LiPoSs对硫主体的吸附行为难以研究，显着阻碍了硫主体的设计和开发。由于缺乏对异质结构硫主体上LiPoSs吸附行为的原子级理解，LiPoSs吸附增强的起源很难阐明，但是它们含有均匀暴露的晶格，二维（2D）硫主体材料可以作为密度泛函理论（DFT）计算的理想模型-处理LiPoSs吸附能和吸附位点的识别。迄今为止，缺乏合适的2D异质结构模型硫主体，导致DFT计算与实验结果之间的弱联系。因此，需要具有2D异质结构的合理计算模型，以深入了解LiPoS吸附来源，指导硫主体材料的设计以获得更好的性能。在这项工作设计并制造了一种新的二维异质结构MoN-VN作为模型硫主体，以调节LiPoS并获得对双组分材料上LiPoSs吸附行为的原子级理解。

【成果简介】

近日，澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋和华南理工大学的王海辉（共同通讯）作者等人，研究了二维（2D）异质结构的MoN-VN作为新型硫主体的结构和性能特征。理论计算表明，可以通过掺入V来调整MoN的电子结构，增强的多硫化物吸附。另外，原位同步X射线衍射和电化学测试，揭示了MoN-VN中多硫化物的有效调节和利用。在2 C下，MoN-VN锂硫电池的容量为708 mA h g^-1，循环500圈时，每个循环的容量衰减低至0.068％，其硫载量为3.0 mg cm^-2。相关成果以“2D MoN-VN Heterostructure to Regulate Polysulfides for Highly Efficient Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

【图文导读】

图1 MoN-VN的结构表征

（a）MoN-VN的AFM图像；

（b）MoN-VN的HAADF-STEM图像和其对应的mapping图；

（c，d）MoN-VN的HAADF-STEM的图像。

图2 MoN-VN的光谱分析图

（a）MoN-VN和MoN的同步NEXAFS Mo L_III边缘和L_II边缘光谱图;

（b）MoN，MoN-VN和MoN-VN LiPoS的Mo 3d XPS光谱图（红色，蓝色，绿色和灰色曲线分别对应Mo³⁺，Mo⁴⁺，Mo⁵⁺和Mo⁶⁺）。

图3 S/MoN-VN、MoN-VN、MoN的电池性能图

（a）两个硫电极的倍率性能；

（b）S/MoN-VN的不同速率的放电/充电曲线图；

（c）S/MoN-VN的不同速率的CV曲线图；

（d）MoN-VN/LiPoS/MoN-VN和MoN/LiPoS/MoN对称电池的阻抗图；

（e-f）在1C，2C的电流密度下，两个硫电极的循环性能和CE图。

图4 DFT计算V-MoN和MoN的性能表征图

（a-d）V-MoN-Li₂S₂，V-MoN-Li₂S₄，MoNLi₂S₂和MoN-Li₂S₄的结构优化图（绿色，红色，紫色，黄色和蓝色球体代表Mo，V，Li，S和N）；

（e）V-MoN和MoN表面上Mo的DOS图；

（f）S/MoN-VN的原位同步XRD等高线图与相应的放电曲线图。

【小结】

本文采用2D异质结构MoN-VN作为硫主体，来调节硫化锂，计算获得MoN-VN上吸附硫化锂的原子级原因。通过原位同步XRD证实，2D MoN-VN异质结构与2D MoN相比，具有更高的硫利用效率。根据DFT计算，MoN的电子结构可以通过掺入V来调控，从而增强对多硫化锂的吸附能力。因此，MoN-VN锂硫电池具有高的充电/放电容量和优异的循环稳定性。这项工作为异质结构硫主体材料中多硫化物吸附的起源提供新的见解。此外，这种新的2D异质结构材料有望刺激更多的2D杂化材料，这些材料可能应用于其他能量储存设备。

文献链接：2D MoN-VN Heterostructure to Regulate Polysulfides for Highly Efficient Lithium-Sulfur Batteries（Angew, 2018, DOI: 10.1002/anie.201810579）。

本文由材料人编辑部张金洋编译整理。

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