温州大学王舜/陈锡安/郭大营JEC：强内电场实现高性能锂硫电池
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引言
锂硫电池（LSBs）具有2600 W h kg−1的极高比能量和1675 mA h g−1的理论比容量。其作为一种很有前途的新型电化学电源，具有理论能量密度高、成本低、环境友好等优点。遗憾的是，LSBs的商业化仍然受到多硫化物的穿梭效应和缓慢的反应动力学的阻碍，这会导致活性材料的不可逆损失、锂金属负极的腐蚀以及电池内阻的增加，最终导致电池短路，循环寿命和低库仑效率。金属化合物复合碳基中间层作为隔膜修饰层不仅能够缓解碳材料极性差的问题，而且可以增强物理和化学吸附，改善多硫化物催化转化的反应动力学而不影响隔膜的快速传质和电荷转移等。因此，碳材料和金属基催化剂的复合物在电池应用过程中具有捕获和进一步转化多硫化物的双重功能，这意味着该方法是抑制多硫化物穿梭效应的可行解决方案。为此，研究者合理设计并构建了一种具有花状结构的碱式碳酸铋（Bi2O2CO3）材料，并使用与导电碳（DC）混合的作为LSBs中硫阴极的阻挡层。利于Bi2O2CO3（BOC）纳米花内部的强电场，在BOC表面诱导宏观电荷，导致外部环境中的大量极性分子被化学吸附在表面上，以屏蔽这些表面电荷，从而增强多硫化物捕获策略来解决穿梭效应。同时，阻挡层对多硫化物表现出强烈的催化作用。
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成果展示
近期，温州大学王舜副校长、陈锡安教授和郭大营博士开发了一种具有强内电场的花状结构碱式碳酸铋（Bi2O2CO3）材料用于提高多硫化物捕获和催化解决锂硫电池“穿梭效应”的简单策略。该策略将Bi2O2CO3（BOC）引入到导电碳中（BOC+DC）作为活性物质硫阴极的阻挡层，以实现高性能LSBs。实验结果和理论计算证明BOC内部存在强电场可以实现对LiPS的有效吸附、促进多硫化物催化转化。在高电流密度下5C下实现719 mA h g−1的高可逆性比容量。在1C下550次循环后库仑效率保持在99%以上，每圈容量衰减率仅为0.0438%。相关论文以“Strong internal electric field enhanced polysulfide trapping and ameliorates redox kinetics for lithium-sulfur battery”发在Journal of Energy Chemistry上。
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图文导读
在本工作中，通过水热法合成具有强内电场的花型碱式碳酸铋（BOC）,并通过改变水热反应时间调控BOC的生长过程控制内部缺陷程度。借助透射电镜、XRD及Rietveld method拟合、Raman和理论计算等手段，证明了BOC中存在强内电场。
所制备BOC内部具有强内部电场，在BOC表面诱导宏观电荷，导致外部环境中的大量极性分子被化学吸附在表面上，从而增强多硫化物捕获策略来解决穿梭效应。同时，阻挡层对多硫化物表现出强烈的催化作用。通过吸附实验、循环伏安、对称电极和硫化锂沉积等实验中，证明具有强内电场的花型BOC材料复合在导电碳中能够作为插层能够有效吸附多硫化物和加速多硫化锂转化。
为此，所设计的插层膜在高电流密度5C时，实现了713 mA h g−1的高比容量。在电流密度1 C时，循环550圈之后，放电比容量维持在719 mA h g−1高可逆性容量，每圈循环仅衰减0.044%。更重要的是，在5.1 mg cm−2的硫载量下，200次循环后面积比容量保持在4 mA h cm−2，每圈衰减率仅为0.056%。
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小结
我们设计的具有强内电场的花型结构BOC材料与导电碳作为锂硫电池插层膜显示出优异的电化学性能。该BOC可以利用其强内电场有效地吸附多硫化物，并且Bi金属中心显示出优异的催化活性来加速硫物质的氧化还原反应。正如预期的那样，作为插层膜组装的电池在硫利用率、反应动力学和容量保持率方面表现出明显的提高。这项工作提供了一种新的多硫化物捕获策略，以克服多硫化物穿梭，从而提高LSBs性能。此外，由于其操作简单、成本低且易于与当前的商用电池制造工艺无缝耦合，该方法在高性能电池的应用中显示出巨大的潜力。
文章信息
Strong internal electric field enhanced polysulfide trapping and ameliorates redox kinetics for lithium‒sulfur battery
Bin Yang, Jinyi Wang, Yuheng, Qi, Daying Guo*, Xueyu Wang, Guoyong Fang, Xi’an Chen*, Shun Wang*
Journal of Energy Chemistry
DOI:10.1016/j.jechem.2022.10.045
作者信息
王舜，博士，教授，博士生导师，温州大学瓯江特聘教授，温州大学副校长。Carbon Energy主编、英国皇家化学会会士、国家百千万人才工程、国家有突出贡献中青年专家。长期致力于面向高效能量储存与转化的碳基和碲基三维超结构纳米材料的原创性设计、制备、多尺度结构与性能关系的基础科学研究和应用探索。以第一/通讯作者发表SCI论文180多篇，其中影响因子>20的11篇，>10的45篇，总引用次数5300多次，h因子42。
陈锡安，博士，教授，博士生导师，温州大学瓯江特聘教授，温州大学化学与材料工程学院副院长。主要从事石墨烯、碳纳米管等碳基纳米复合材料可控制备及在电化学能源、催化中的应用研究。先后主持国家级项目3项、省级项目3项。近年来，已在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国内外学术期刊上发表70余篇研究论文，论文被引4000余次。
郭大营，博士。2017年6月毕业于温州大学化学专业，获理学硕士学位，2020年6月毕业于中山大学材料科学与工程专业，获工学博士学位，师从奚斌教授。2020年9月起在温州大学化学与材料工程学院工作。主要从事原子层沉积（ALD）工艺开发及其在新能源存储与转化方面的研究。迄今在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等SCI期刊上发表论文30余篇，获授权中国发明专利5项。
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