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基于多相硫轉化反應的鋰硫電池(Li-S)具有優異的理論比容量(1675 mAh g^-1)、比能量密度(2600 Wh kg^-1)、環境友好性和經濟效益，被認為是鋰離子電池的理想候選者。然而，鋰硫電池的大規模應用仍然受到多硫化物(LiPSs、Li₂S_4-8)穿梭效應和氧化還原動力學緩慢的阻礙，硫利用率和循環壽命不理想。

在此，中南大學周亮君教授團隊提出了一種新型高性能TiO₂異相結催化劑的合成方法。以碳化鈦納米片為模板材料，聚多巴胺為包覆材料，經特定溫度燒結成功制備富氧空位TiO₂銳鈦礦/金紅石異相結（A/R-TiO₂）。

理論計算表明，費米能級處伴隨著電子態的連續分布表示A/R-TiO₂具有金屬特性。相比于銳鈦礦（A-TiO₂）和金紅石（R-TiO₂），A/R-TiO₂的導電性顯著提高。

此外，A/R-TiO₂異質界面處電荷的快速轉移能夠實現LiPSs的有效錨定和催化轉化，降低Li₂S分解能壘至幾乎為零(0.09 eV )。將A/R-TiO₂催化劑用作鋰硫電池隔膜修飾劑，顯著提高了電池性能。

圖1. 電子結構表征

總之，該工作成功設計了具有豐富氧空位的TiO₂銳鈦礦/金紅石異相結作為鋰硫電池隔膜修飾劑。實驗表征和理論計算表明，富氧空位且近乎完美的晶格匹配不僅有利于提高TiO₂異相結的導電性，而且有利于硫氧化還原動力學的增強。

即使在高硫載量3.75 mg cm^-2下，使用A/R-TiO₂改性隔膜鋰硫電池在0.1 C和1 C的比容量分別高達1210 mAh g^-1和689 mAh g^-1。此外，采用A/R-TiO₂改性隔膜的軟包電池具有穩定的電化學性能，該工作為界面能帶工程在鋰硫電池中的應用提供了新的方向。

圖2. 鋰硫電池的電化學性能

Integrating Energy Band Alignment and Oxygen Vacancies Engineering of TiO2 Anatase/Rutile Homojunction for Kinetics-Enhanced Li–S Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305788

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中南周亮君團隊AFM：富氧空位TiO2銳鈦礦金紅石異相結增強鋰硫電池動力學

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