锂硫电池阴极材料用WS2纳米片

WS2纳米片，因有良好的储荷性能以及较强的物理化学稳定性，而常被用来生产锂硫电池阴极材料，进而能使终端产品拥有更长的续航时间。

众多周知，单质硫不仅具有成本低、环境友好、安全性能高等特点，还有高比容量（1675mAh g-1）和能量密度（2600Wh kg-1）的优点，因此能满足未来动力电池的需要。

然而在实际应用中，锂硫电池却存在三个主要问题：1）硫作为不导电的物质，导电性非常差，不利于电池的高倍率性能；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。

近几年经过科学家的不断努力表明，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。但是，这种非极性柔性碳材料具有破坏性缺点：它们对极性Li2Sn具有物理范德华（vdW）吸附，这导致Li2Sn容易从碳材料表面分离。

因此，电子科技大学微电子与固体电子学院熊杰教授等人设计出了含有层状WS2纳米片的阴极材料，能明显提高锂硫电池的性能。该论文题目为“多功能层状WS2纳米片提高锂硫电池的性能”（Multi-Functional Layered WS2 Nanosheets for Enhancing the Performance of Lithium–Sulfur Batteries），并且该研究成果已发表于Advanced Energy Materials在线上。

研究者表示，该论文的亮点为：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图片

（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）。

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。

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