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来源：能源学人收集编辑：Energist
锂−硫电池（LSBs）由于具有高能量密度、低成本和环境友好等特点，被认为是下一代具有广阔前景的储能设备。然而，硫正极的一系列棘手问题，如严重的体积效应（80%）和低的电子电导率等，会导致反应界面不稳定和电化学动力学迟缓，因而阻碍了LSBs的工业化进程。其中，最致命的缺陷是可溶性中间体多硫化锂（LiPSs）的穿梭效应，这会极大地降低硫正极的利用率和工作电池的比容量。针对这一问题，广泛采用的思路是在LSBs中添加LiPSs屏障中间层来提高其电化学性能。但被忽略的是，制造屏障中间层会造成的电池重量增加反而会降低电池的实际能量密度。对此，上海交通大学变革性分子前沿科学中心梁正副教授与复旦大学周永宁教授合作采用简单的水热法制备了一种载有氮化钛纳米颗粒和碳纳米管的α-MoO3独立中间层（MCT）。该多功能中间层可有效限制穿梭效应，并可自身提供额外的锂离子储存容量，有效提高了LSBs的能量密度。MCT中间层可在1.8−2.8V的电压范围内实现可逆的锂脱嵌行为，提供约180mAhg−1的额外补偿容量。这在一定程度上弥补了由于设置中间层所导致的电池实际能量密度下降的缺陷。相关研究成果以“Multifunctional α‑MoO3 Nanobelt Interlayer with the Capacity Compensation Effect for High-Energy Lithium−Sulfur Batteries”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces.上，第一作者为上海交通大学助理研究员岳昕阳。图1
本文选用α-MoO3作为多功能中间层的主体骨架具有以下优势：（1）由一维α-MoO3纳米带交织而成，具有灵活、独立的机械特性，且富含丰富的微纳孔道，可以有效抑制LiPSs的扩散；（2）α-MoO3对LiPSs的吸附和锚定能力强；（3）由范德华力稳定的二维层状结构使α-MoO3能够容纳锂离子。使用MCT中间层作为独立电极的半电池的循环性能如图2A所示。在0.1C下和1.8−2.8 V的范围内，MCT中间层具有205 mAhg−1的可逆容量。MCT中间层的容量补偿性能如图3B所示，当仅考虑硫的载量时（1.5 mg cm−2），具有MCT中间层的电池在0.1 C下的初始放电容量高达1950 mAh g−1。XRD和XANES测试进一步证明了α-MoO3在电化学行为中的高可逆性和稳定性。作者分别对使用和未使用MCT多功能中间层的工作电极进行长循环和倍率测试，再次证明了MCT中间层不仅可以实现补偿容量，而且抑制了LiPSs的穿梭效应，因此使用MCT的硫正极具有更高的可逆比容量和更好的循环稳定性。此外，协同碳纳米管和氮化钛的高电子电导率，进一步赋予了硫正极更加优异的倍率性能和容量输出。总而言之，本工作在硫正极和隔膜之间设置了一种多功能的MCT夹层。在1.8−2.8V的电压窗口内，MCT中的α-MoO3可以被锂化形成LixMoO3，提供约为180 mAhg−1的稳定可逆容量。这在一定程度上补偿了由中间层额外设置引起的质量容量损失。另外，α-MoO3自身对LiPSs的强捕捉能力与其构建的2D编织结构可有效限制LiPSs的穿梭效应，提高电池的循环能力。除α-MoO3外，锂化后的LixMoO3也可以与LiPSs相互作用形成M−O−S键。此外，TiN纳米颗粒和CNT的协同作用提高了MCT转化LiPSs的能力。该工作为LiPSs中间层提出了新的设计策略。Xinyang Yue#, Jing Zhang#, Dong Chen, Xuejiao Xu, Haitao Wu, Yongning Zhou and Zheng Liang*, Multifunctional α‑MoO3 Nanobelt Interlayer with the Capacity Compensation Effect for High-Energy Lithium−Sulfur Batteries. ACS Appl. Mater. Interfaces.2023. https://doi.org/10.1021/acsami.2c22200