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上大?AFM:TiB2納米片增強Li-S電池中多硫化物轉化

上大?AFM:TiB2納米片增強Li-S電池中多硫化物轉化

具有高電導率(約105 S cm?1)和極性的過渡金屬硼化物(MB)作為硫宿主材料顯示出巨大優勢。大多數報道的用于LiPSs吸附的硼化物容易暴露MB表面結構上只有一種活性位點的(001)面。這使得具有單一類型正電荷或負電荷原子位點的(001)面主導的MB難以在復雜的多相硫電化學中實現有效的界面吸附和向多硫化物的轉化。
上大?AFM:TiB2納米片增強Li-S電池中多硫化物轉化
在此,同濟大學賀婷,上海大學趙宏濱、唐亞等人開發了一種具有優先暴露(1-10)面的超薄 TiB2 納米片,作為Li-S 電池中具有豐富電催化位點的高效催化劑。由于鈦和硼的活性位點在(1-10)面上高度等效暴露,以(1-10)面為主的 TiB2 納米片通過 Ti─S 和 B─S 鍵吸附鈦和硼雙原子位點,最大限度地提高了結合效應。
結果顯示,(1-10)TiB2 在促進多硫化物轉化和Li2S分解方面具有卓越的催化活性,從而顯著抑制了穿梭效應,改善了氧化還原動力學。因此,Li-S 電池獲得了優異的電化學性能,在0.2 C時放電容量高達1469 mAh g-1。即使在含硫量為5 mg cm-2的情況下,仍能達到4.86 mAh cm-2 的突出平均容量。
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圖1. 電化學性能
總之,該工作利用晶面工程策略成功構建了高活性的3D蜂窩狀TiB2納米片,并系統地研究了Li-S化學中的晶面效應。結果表明,(1-10)面主導的TiB2具有高度等效暴露的Ti和B活性位點,優化了吸附和催化活性。由于結構的優勢,采用(1-10)TiB2催化劑的電池在0.2 C下表現出1469 mAh g?1的高比容量、優異的倍率性能、優異的1 C循環穩定性以及極低的容量衰減率0.048%。
更重要的是,4.86 mAh cm?2的高面容量,在高硫負載和低電解質/硫的情況下超過了大多數商用鋰離子電池。因此,該項工作強調了晶面工程在優化催化劑性能方面的有效性,加深了對Li-S化學中催化劑晶面依賴性活性的理解,并為先進硫電極的合理結構設計提供了指導。
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圖2. 作用機制探究
(1-10) Facet-Dominated TiB2 Nanosheets with High Exposure of Dual-Atom-Sites for Enhanced Polysulfide Conversion in Li-S Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202314657

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