北理工谭国强教授等：锂-热同步构筑高比能Li2S//Si−C电池用Mo-Li2S-Graphene复合正极材料

【研究背景】

可充电电池是当前移动应用的关键电源，然而，较低的能量密度限制当下锂离子电池系统的进一步应用。尽管在开发高容量负极（如硅基复合材料）方面取得了一些进展，但相对较低的正极比容量阻碍了其较高的能量密度。Li₂S作为高容量含锂正极，可避免金属锂的使用，具有广阔应用前景，将Li₂S正极和Si基负极匹配受到学者的广泛关注。然而，Li₂S正极材料活化电位高，多硫化锂的穿梭效应明显，同时Li₂S和Si电极导电性能差等因素一直是这种电池体系（Li₂S//Si）应用的巨大挑战。因此，如何有效降低Li₂S的活化电位、缓解“穿梭效用”以及加快离子电子传输是实现其高效利用，推动Li₂S//Si体系实际应用的关键。

【成果简介】

近日，北京理工大学吴锋院士团队的谭国强教授报道了一种锂-热同步合成方法，原位构建了一种兼具催化、吸附和限域特性的三重异质Mo-Li₂S-graphene纳米胶囊结构。依据的反应机理，该复合材料中Li₂S、Mo被C结构紧密包裹，形成核壳胶囊结构。同时，锂热反应生成的三个组分都是通过Mo−S和C−S的化学键连接，有效的降低了正极材料Li₂S的活化电位。这种原位生长的纳米胶囊设计优化了材料的催化性能、电化学性能以及结构稳定性。值得注意的是，该材料在Li₂S//Si电池体系中显示了巨大的潜力，其中Mo-Li₂S-graphene//Si-C电池具有764 mAh g^-1的高容量和优异的循环性能。相关研究成果以“Lithiothermic-Synchronous Construction of Mo-Li₂S-Graphene Nanocomposites for High-Energy Li₂S//Si-C Battery”为题发表国际顶级期刊在Advanced Functional Materials上。第一作者为北京理工大学博士研究生张俊凡和王敬副教授。

【核心内容】

图1.Mo-Li₂S-graphene纳米胶囊材料合成和电化学反应机理示意图。

图2. Mo-Li₂S-graphene (a-j) TEM表征, (k) XRD图谱, (l) Raman图谱 (m) TGA图谱。

图3. (a-c) C 1s、Mo 3d、Li 1s的XPS谱。(d,e) Li₂S在一个C空位石墨烯和Mo(110)晶面脱锂结构演化模型(S为黄色，Li为紫色，C为金色，Mo为棕色)。(f,g) Li₂S和LiS在一个C空位石墨烯和Mo不同晶面上的解离势垒。(h)首圈CV曲线。(i)首圈充放电曲线。

图4. (a)原位EIS充放电曲线的不同电压，(b)在不同电压下Rs、Rsuf和Rct比较。(c) Mo-Li₂S-Graphene在不同扫描速率下的CV曲线。d-f) 基Randles Sevick方程的相应线性拟合。(g) 纯Li₂S和Mo-Li₂S-Graphene电极的长期循环性能对比。

图5.(a-c) Mo-Li₂S-Graphene高载下的循环性能。(d-f) 不同电池循环后Li箔的SEM图像。(g-i) Li₂S// Si-C和Mo-Li₂S-graphene //Si-C电池的电化学性能。(j-l) 不同电池Si-C电极循环200次后的SEM图像。

Junfan Zhang, Jing Wang, Mengmeng Qian, Bo Zhao, Ran Wang, Xuechun Hao, Xinwei Huang, Ruiwen Shao^*, Zhenyu Xing, Jing Xie, Bing Xu, Yuefeng Su, Feng Wu, Guoqiang Tan^*. Lithiothermic-Synchronous Construction of Mo-Li₂S-Graphene Nanocomposites for High-Energy Li₂S//Si-C Battery, Adv. Funct. Mater., 2021, DOI:10.1002/adfm.202108305

https://doi.org/10.1002/adfm.202108305

作者简介：

邵瑞文，北京理工大学医工融合研究院/智能机器人与系统高精尖创新中心副研究员。长期从事纳米级高精度操作、电子显微学、微纳加工等领域的研究，研究方向包括：（1）原位电子显微学，（2）MEMS微纳器件加工，（3）器件级力、电、光、热等结构与性能表征。主持国家自然科学基金青年基金等，参与国家自然科学基金，国家重点研发计划等项目。在 Nano Letter、Advanced Materials等国际著名期刊发表论文 50 余篇。以第一作者或通讯作者在Nano Letter、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Small Methods、Journal of Power Source等期刊上发表论文10余篇。

谭国强，北京理工大学教授、博士生导师。主要从事新能源材料、二次电池、同步辐射X射线技术、原位现场表征技术等多学科交叉基础研究、应用研究和技术平台的开发。主持国家自然科学基金面上等多项项目，作为研究骨干先后参与过国家科技部973计划、美国能源部EERE和中美UCLA-Dynavolt国际合作等项目。以第一作者或共同通讯作者发表SCI论文30余篇，包括Nature Energy, Nature Communications, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Nano Energy等。