Adv. Energy Mater.：多功能层状WS2纳米片提高锂硫电池的性能

【引言】

锂硫电池（可参看欧洲足球赛事 综述文章：Chem. Soc. Rev. 崔屹最新综述：高能锂硫电池的设计）的高比容量（1675mAh g^-1）和能量密度（2600Wh kg^-1），同时硫具有成本低、环境友好、安全性能高等优点，能满足未来动力电池的需要。然而在实际应用中，锂硫电池存在：1）硫电导率低；2）放电过程中多硫化物的溶解；3）充电过程中硫电极的体积膨胀等问题，导致硫正极的循环寿命短、容量衰减快以及能量效率低，从而限制了锂硫电池的实际应用^[1]。

最近的研究表明，硫在碳材料中（中孔/微孔碳材料，碳纳米管/纤维(CNFs)的孔隙）封装可以减少容量衰减。然而，这种非极性柔性碳材料具有破坏性缺点：它们仅对极性Li₂S_n具有物理范德华（vdW）吸附，这导致Li₂S_n容易从碳材料表面分离^[2]。

【成果简介】

10月28日，Advanced Energy Materials在线发表电子滚球体育 大学题为“多功能层状WS₂纳米片提高锂硫电池的性能”（Multi-Functional Layered WS₂Nanosheets for Enhancing the Performance of Lithium–Sulfur Batteries）的研究论文^[3]，微电子与固体电子学院熊杰教授为通讯作者。

本文亮点：利用水热合成，这一简便方法制备极性WS₂纳米片包覆碳纳米纤维（C@WS₂）的Li-S电池阴极材料；第一性原理计算表明WS₂纳米片在多硫化物上表现中等极性，可作为Li-S电池优选电极材料。

【图文导读】

图1 WS₂纳米片制备过程示意图及透射表征

（a） 用于制备复合材料的碳布，

（b、c）WS₂包覆在碳布上(b)和水热沉积的S负载在碳布上(c)的形貌示意图。

（d，e）所制备的自支撑C@WS₂复合物的SEM图片。

（f）C@WS₂（上部）和C@WS2/S（下部）的XRD图。

（g-h）C@WS₂的低倍和放大TEM图。

（i）WS₂纳米片的晶格结构和FFT图案（插图）的HRTEM图像。

图2电池性能的电化学测试

（a）在0.1C至2C不同倍率下的充放电电压曲线，

（b）电极在不同电流密度下的倍率性能，

（c-e）c)电极在1C至2C下或500周期内的循环性能和库仑效率和 d)电极在0.5C下或500周期内的循环性能和库仑效率和 e)电极在2C下或1500周期内的循环性能和库仑效率，具有优异的库仑效率的前所未有的高容量保持率。

图3 密度泛函理论计算结果与紫外光谱

（a）在C@WS₂/S上的各种多硫化物构象的示意图。

（b）通过第一原理计算给出的在C@WS₂/S上的六个不同锂化阶段，Li-S复合材料上的硫化锂物种（S₈，Li₂S₈，Li₂S₆，Li₂S₄，Li₂S₃和Li₂S）和WS₂之间的相互作用的结合能（Eb）。

（c）C₂WS₂/S和C/S的Li₂S₆溶液的UV-vis光谱（插图：不同固材中Li₂S₆溶液的光学照片）。

【展望】

多硫化物在WS₂纳米片上的极性吸附以及得益于碳纳米纤维3D结构优异的电子传输，即使在2C的倍率下1500次循环之后，电池仍然保持其比容量的90％，且具有的高比容量（502mAh g^-1）。这项工作开辟了使用非极性/极性3D复合材料生产长周期寿命Li-S电池电极材料的有效方式，为锂硫电池进一步发展提供了新的思路。

文献链接：Multi-Functional Layered WS2 Nanosheets for Enhancingthe Performance of Lithium–Sulfur Batteries(Adv. Energy Mater. 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601843)

通讯作者简介

熊杰，电子滚球体育 大学教授，特聘研究员，四川省特聘专家，教育部新世纪优秀人才，四川省千人计划，四川省杰出青年学术技术带头人，电子滚球体育 大学百人计划，四川省青年滚球体育 奖获得者。1979年7月出生于四川大竹，2002年7月电子滚球体育 大学应用化学本科毕业，2007年6月获电子滚球体育 大学材料物理化学专业博士学位，同年6月留电子滚球体育 大学微电子与固体电子学院工作。2009年5月-2010年5月在美国Los Alamos国家实验室超导中心（Superconductor Technology Center）从事博士后研究，2010年5月-2011年5月美国Los Alamos国家实验室综合纳米技术中心（Center for Integrated Nanotechnology）助理研究员。现为美国材料研究协会（MRS），美国真空协会（AVS），美国物理学会（APS），IEEE会员，中国真空学会高级会员，中国电子学会高级会员，四川省科协科青联会理事。

参考文献：

[1] Seh ZW, Sun Y, Zhang Q, Cui Y.Designing high-energy lithium-sulfur batteries.Chemical Society Reviews2016,45(20):5605-5634.

[2] Zhang Q, Wang Y, Seh ZW, Fu Z, Zhang R, Cui Y.Understanding the Anchoring Effect of Two-Dimensional Layered Materials for Lithium–Sulfur Batteries.Nano Letters2015,15(6):3780-3786.

[3] Lei T, Chen W, Huang J, Yan C, Sun H, Wang C, et al.Multi-Functional Layered WS2 Nanosheets for Enhancing the Performance of Lithium–Sulfur Batteries.Advanced Energy Materials:2016, 1601843，DOI: 10.1002/aenm.201601843.

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