鋰硫電池陰極材料用WS2納米片

WS2納米片，因有良好的儲荷性能以及較強的物理化學穩定性，而常被用來生產鋰硫電池陰極材料，進而能使終端產品擁有更長的續航時間。

眾多周知，單質硫不僅具有成本低、環境友好、安全性能高等特點，還有高比容量（1675mAh g-1）和能量密度（2600Wh kg-1）的優點，因此能滿足未來動力電池的需要。

然而在實際應用中，鋰硫電池卻存在三個主要問題：1）硫作為不導電的物質，導電性非常差，不利於電池的高倍率性能；2）放電過程中多硫化物的溶解；3）充電過程中硫電極的體積膨脹等問題，導致硫正極的迴圈壽命短、容量衰減快以及能量效率低，從而限制了鋰硫電池的實際應用。

近幾年經過科學家的不斷努力表明，硫在碳材料中（中孔/微孔碳材料，碳納米管/纖維(CNFs)的孔隙）封裝可以減少容量衰減。但是，這種非極性柔性碳材料具有破壞性缺點：它們對極性Li2Sn具有物理范德華（vdW）吸附，這導致Li2Sn容易從碳材料表面分離。

因此，電子科技大學微電子與固體電子學院熊傑教授等人設計出了含有層狀WS2納米片的陰極材料，能明顯提高鋰硫電池的性能。該論文題目為“多功能層狀WS2納米片提高鋰硫電池的性能”（Multi-Functional Layered WS2 Nanosheets for Enhancing the Performance of Lithium–Sulfur Batteries），並且該研究成果已發表於Advanced Energy Materials線上上。

研究者表示，該論文的亮點為：利用水熱合成，這一簡便方法製備極性WS2納米片包覆碳納米纖維（C@WS2）的Li-S電池陰極材料；第一性原理計算表明WS2納米片在多硫化物上表現中等極性，可作為Li-S電池優選電極材料。

圖1 WS2納米片製備過程示意圖及透射表徵

（a） 用於製備複合材料的碳布

（b、c）WS2包覆在碳布上(b)和水熱沉積的S負載在碳布上(c)的形貌示意圖

（d，e）所製備的自支撐C@WS2複合物的SEM圖片

（f）C@WS2（上部）和C@WS2/S（下部）的XRD圖

（g-h）C@WS2的低倍和放大TEM圖

（i）WS2納米片的晶格結構和FFT圖案（插圖）的HRTEM圖像

圖2電池性能的電化學測試

（a）在0.1C至2C不同倍率下的充放電電壓曲線

（b）電極在不同電流密度下的倍率性能圖片

（c-e）c)電極在1C至2C下或500週期內的迴圈性能和庫侖效率和 d)電極在0.5C下或500週期內的迴圈性能和庫侖效率和 e)電極在2C下或1500週期內的迴圈性能和庫侖效率，具有優異的庫侖效率的前所未有的高容量保持率。

圖3 密度泛函理論計算結果與紫外光譜

（a）在C@WS2/S上的各種多硫化物構象的示意圖。

（b）通過第一原理計算給出的在C@WS2/S上的六個不同鋰化階段，Li-S複合材料上的硫化鋰物種（S8，Li2S8，Li2S6，Li2S4，Li2S3和Li2S）和WS2之間的相互作用的結合能（Eb）。

（c）C2WS2/S和C/S的Li2S6溶液的UV-vis光譜（插圖：不同固材中Li2S6溶液的光學照片）。

多硫化物在WS2納米片上的極性吸附以及得益于碳納米纖維3D結構優異的電子傳輸，即使在2C的倍率下1500次迴圈之後，電池仍然保持其比容量的90%，且具有的高比容量（502mAh g-1）。這項工作開闢了使用非極性/極性3D複合材料生產長週期壽命Li-S電池電極材料的有效方式，為鋰硫電池進一步發展提供了新的思路。

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