研究背景

锂硫电池以其高达2600 Wh kg^-1的理论能量密度和1675 mAh g^-1的理论容量而备受关注。选用硫作为阴极活性材料，不仅因其低成本和环境可持续性，还因为硫资源在自然界中的丰富性。尽管如此，锂硫电池在商业化道路上仍面临诸多挑战，如活性材料利用率低、容量快速衰减、库仑效率低下以及阳极钝化等问题。这些问题的主要根源在于多硫化锂在充放电过程中的不断穿梭。为了克服这些挑战，实现锂硫电池的实际应用，关键在于合理调控多硫化锂的行为。在此背景下，设计能够促进不同组分之间协同效应的异质结构，成为了一种有效的策略。这种设计可以赋予材料更强的吸附和催化能力。异质结构的设计允许我们将不同材料的期望特性结合起来，从而有效地调整电子结构，增强化学亲和力，并加快多硫化物的转化动力学。特别是，由不同带隙材料组成的异质结构，不仅优化了反应动力学，还通过异质结界面处的本征电场促进了电荷的转移，进一步提升了电池的整体性能。通过这种创新的设计，我们有望建立更加高效、稳定的锂硫电池系统。

工作介绍

近日，天津理工大学杨利营研究员领导的团队成功开发出一种新型策略，通过原位顺序预氧化-硫化的方法，将双金属VNbCTx MXene转化为V5S8-Nb2O5@VNbCTx异质结构，旨在有效调控锂硫电池中多硫化锂的穿梭行为。该团队通过精确控制制备过程，成功调控了V5S8-Nb2O5@MX异质结构的化学组成，并验证了该结构对多硫化锂（LiPS）的“捕获-吸附-催化”协同作用机制。密度泛函理论（DFT）计算结果显示，V5S8-Nb2O5@MX异质结构的结合能高达5.34 eV，且分解势垒能仅为0.68 eV，这表明该异质结构在加速LiPS转化反应方面具有显著优势。因此，所制备的V5S8-Nb2O5@MX异质结构有效减轻了锂硫电池中的多硫化锂穿梭效应，并显著加速了硫沉淀反应的动力学，为提升锂硫电池的整体性能提供了新的思路。该文章发表在国际顶级期刊Materials
Horizons上。本文第一作者为硕士研究生陈语晴，天津理工大学为第一通讯单位。

文章亮点

1. 通过顺序氧化-硫化策略成功制备了V5S8-Nb2O5@MX异质结构。

2. 在0.1C的电流密度下，该异质结构展现出高达1508 mAh g-1的初始容量，并且在1C的条件下经过500次循环后，每个循环的容量衰减率仅为0.027%。

3. V5S8-Nb2O5@MX异质结构展现了在多硫化锂（LiPS）上的“捕获-吸附-催化”协同效应机制。

4. DFT计算结果显示，V5S8-Nb2O5@MX异质结构具有5.34 eV的高结合能和0.68 eV的低分解势垒能。

文献详情

图1
V5S8-Nb2O5@MX异质结构的设计原则。（a-d）Li2S6在VNbCTx MXene、Nb2O5、V5S8和V5S8-Nb2O5异质结构表面上的吸附能的DFT计算。（e-g）MXene、Nb2O5、V5S8和V5S8-Nb2O5表面上Li2S分解的能量分布图总结。IS、TS和FS分别代表初始状态、过渡状态和最终状态。

图二V₅S₈-Nb₂O₅@MX制备流程.

图3 (a-c) VNbCTx (MX)、VNbO5@MX和V5S8-Nb2O5@MX的扫描电子显微镜（SEM）图像。（d-e）V5S8-Nb2O5@MX的透射电子显微镜（TEM）图像。（f）V5S8-Nb2O5@MX的选区电子衍射（SAED）花样。（g）V5S8-Nb2O5@MX中C、V、S、O和Nb元素分布的能谱（EDX）元素映射，显示这些元素在材料中的均匀分布。

图4 (a) V5S8-Nb2O5@MX的X射线衍射（XRD）图谱。(b-f)
V5S8-Nb2O5@MX的C 1s、S 2p、O 1s、V 2p和Nb 3d的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）谱图。

图5 V5S8-Nb2O5@MX异质结构与多硫化锂（LiPS）的相互作用和催化。 (a) 可见光Li2S6吸附测试的紫外-可见光谱（Vial 1仅含Li2S6溶液。Vials 2、3和4分别含有Li2S6溶液和VNbCTx、VNbO5@MX以及V5S8-Nb2O5@MX）。(b) 不同材料在0.1 mV s-1扫描速率下的循环伏安（CV）曲线。(c) V5S8-Nb2O5@MX电极在不同扫描速率（0.1至0.4 mV s-1）下的CV曲线。(d-f) 不同样品峰电流的线性拟合图。图5b中峰A（g）、峰C1（h）和峰C2（i）的塔菲尔图。(j-l) 不同电极在2.05 V恒定电位下的放电曲线。

图6 以(a) VNbCTx (MX)、(b) VNbO5@MX和(c) V5S8-Nb2O5@MX异质结构作为电极的锂硫电池工作机理示意图。

图7.
(a) 不同电池在不同电流密度下的倍率性能。(b) 不同电池的恒电流充放电（GCD）曲线。(c-d) (b)中黑色方框区域的放大视图。(e) 从GCD曲线中获得的ΔE和QL/QH的值。(f) V5S8-Nb2O5@MX电极在从0.1到5 C不同电流密度下的GCD曲线。(g) 不同硫质量负载的V5S8-Nb2O5@MX电极在1 C下的长期循环性能。(h, i) 负载1.5 mg cm-2硫质量的V5S8-Nb2O5@MX电极在0.2 C和1 C下的循环性能。(j) 雷达图展示了本研究的锂硫电池性能与其他报道的性能比较。

原文链接：“Vanadium niobium
carbide(VNbCTx) bimetallic MXene derived V5S8-Nb2O5 @MXene heterostructure for efficiently
boosting the adsorption and catalytic performance of lithium polysulfide, Materials
Horizons, 2024, https://doi.org/10.1039/D4MH00674G

作者简介

杨利营，男，博士生导师，天津理工大学材料学院研究员。1996年本科毕业于河北工业大学精细化工专业，1999年硕士毕业于河北工业大学高分子材料专业，2002年博士毕业于天津大学材料学专业。2002-2004年在天津大学博士后流动站从事博士后研究；2004年加入天津理工大学。从事有机光电及新能源材料与器件相关研究。主要研究方向为：二维MXene基能源存储材料及器件（超级电容器、锂离子电池、锂硫电池等）。主持完成国家自然科学基金、教育部科技司、天津市自然科学基金、企业委托横向课题等共14项，发表高水平SCI论文60余篇，授权专利8项；2014年入选天津市“131”创新型人才培养工程、2015年获得天津市自然科学一等奖（第2名）、2019 年获批第六批天津市创新人才推进计划重点领域创新团队。产学研合作及科技成果转化工作已经在南海多个油气田项目得到应用，创造了较好的社会和经济效益。