山大熊胜林教授团队Angew：“正负极兼顾”的硒化钨微型纳米片作为多硫化锂转化加速剂和锂沉积调节器

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锂硫电池由于具有高的理论能量密度(2567 Wh kg⁻¹)，环境友好以及硫储量丰富等优势，被认为是最具潜力的下一代高能量密度电池体系。然而，锂硫电池中正极侧多硫化锂溶解导致的“穿梭效应”，缓慢的氧化还原反应动力学，以及负极侧锂离子混乱沉积导致的锂枝晶问题依然限制着锂硫电池的应用。尽管大量研究工作分别对正负极存在的问题进行了改善，但是考虑到锂硫电池的实际应用过程中主要依靠正负极的协同配合，因此通过设计“正负极兼顾”的功能性材料来同时满足硫正极侧多硫化锂转化的加速效果和锂负极侧锂离子的均匀沉积是实现锂硫电池性能全面提升的有效方式。

图1. WSe₂/NG的合成路线

近日，山东大学的熊胜林教授和奚宝娟副教授团队在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“WSe₂ Flakelets on N-doped Graphene for Accelerating Polysulfide Redox and Regulating Li Plating”的研究工作。该工作通过简单的模板自牺牲配合高温硒化的策略，设计合成了一种新型的氮掺杂石墨烯负载的少层硒化钨微型纳米片(WSe₂/NG)分别作为锂硫电池中的正极硫载体和负极锂载体材料。

图2：WSe₂/NG的物理表征

这种精心设计的WSe₂/NG在结构上具有独特的优势。首先，小的尺寸和少的片层数有利于活性位点的充分暴露。其次，优良的亲锂/亲硫特性能够提升与多硫化锂和锂离子的相互作用。

图3：WSe₂/NG正极侧作用机制

通过理论计算证实，WSe₂/NG对多硫化锂具有较强的吸附能力。同时，Li₂S在WSe₂表面的成核和分解能垒明显降低，有利于催化锂硫电化学反应的双向进行。电化学分析表明，WSe₂/NG有效促进了多硫化锂的双向转化，缓解了穿梭效应。更重要的是，由于WSe₂/NG具有丰富的活性位点、与多硫化锂强的相互作用以及高效的多硫化锂扩散动力学，为Li₂S快速成核提供了更多的三相界面，从而诱导了Li₂S从传统3D生长模式向2D模式的转变，提升了对反应容量的贡献。

图4：WSe₂/NG负极侧作用机制

理论计算表明，WSe₂/NG与锂离子之间强的电荷转移提升了与锂离子的相互作用。同时，锂离子在WSe₂表面的迁移更加灵活，有利于锂离子的传输。这些特点使得锂离子在WSe₂/NG表面具有更低的成核能垒，高度可逆的沉积/剥离行为，从而抑制了锂枝晶的产生。

图5：WSe₂/NG分别作为正负极载体构筑的锂硫全电池性能

使用WSe₂/NG同时作为正极硫载体和负极锂载体构筑的锂硫全电池在低的负极容量/正极容量比(N/P)的情况下能够实现稳定的循环性能（0.5 C循环300圈容量衰减率为0.065%/圈，2 C循环1100圈容量衰减率为0.046%/圈），出色的倍率性能（6 C 的放电比容量为743.2 mAh g⁻¹）和高载硫性能（10.5 mg cm⁻²的载硫量，1.4:1的N/P以及6.8 µL mg⁻¹的E/S下放电容量高达9.9 mAh cm⁻²）。同时用其组装的锂硫软包全电池在4.5 mg cm⁻²的载硫量，3:1的N/P以及5 µL mg⁻¹的E/S下可以稳定循环65圈，并且成功点亮21个LED灯泡串联而成的器件长达20小时，展现了WSe₂/NG实际应用的巨大潜力。这种“正负极兼顾”的设计思路为锂硫电池的性能提升和实用化进程提供了有效的方案。

作者简介

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熊胜林，教授，博士生导师，山东省泰山学者特聘专家，全球高被引科学家。近五年在Angew. Chem., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Res., J. Energy Chem.等主流刊物发表通讯作者论文50余篇。论文总他引12000余次，单篇最高他引600余次，H指数63 (数据来源: web of science)。课题组一直围绕介观能源材料化学的关键科学问题开展基础应用研究，尝试用简单的化学原理和合成策略，可控合成新颖的无机介观尺度复合组装结构材料，并将其应用在电化学能源存储与转化等领域。 奚宝娟，副教授，博士生导师。近三年在Chem, Adv. Mater., Angew. Chem., Int. Ed., Nano Lett., Adv. Energy Mater., Chem. Mater.和J. Mater. Chem. A等刊物发表第一/通讯作者论文20余篇。

第一作者介绍：王鹏，山东大学化学与化工学院2019级博士研究生，导师为熊胜林教授。研究方向：锂硫电池新型催化材料的设计和催化机理的研究，以第一作者在Angew. Chem., Int. Ed.（两篇）, Adv. Energy Mater., Small上发表上论文4篇。

原文链接

“WSe₂  Flakelets on N-doped Graphene for Accelerating Polysulfide Redox and Regulating Li Plating”
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202116048

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