第一作者：Shixun Yang

通訊作者：向明武、郭俊明、侴術雷

通訊單位：云南民族大學、溫州大學

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多硫化物引起的嚴重穿梭效應和反應動力學遲緩一直是降低鋰硫電池實際能量密度的主要因素。同時平衡多硫化物的表面吸附和氧化還原轉化是非常重要的。

本研究提出了一種新的策略，通過原位構建TiO₂/TiN異質結構和氮摻雜的多功能碳夾層，用于改善鋰硫（Li-S）電池中多硫化物的表面吸附和電化學轉換。這種結構利用低毒性的氮氣氣氛和商業三聚氰胺泡沫作為碳源和氮源，通過水解和煅燒工藝在較低溫度下制備而成。TiO₂納米粒子在煅燒過程中部分原位轉化為TiN，形成了TiO₂/TiN異質結構。

這種結構不僅提供了高度導電的三維網絡，還通過化學協同作用增強了對可溶性多硫化物的吸附能力，并促進了其電化學轉換。使用這種多功能碳間層的鋰硫電池展現了優異的初始放電容量、循環穩定性和高硫負載下的面積容量。

圖文導讀

圖1：NCFI@T₁₅₀間層的制備示意圖和不同放大倍數的場發射掃描電鏡（FESEM）圖像，以及透射電鏡（TEM）和高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像，展示了TiO₂/TiN異質結構的形成。

圖2：通過X射線衍射（XRD）、拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）等對NCFI和NCFI@T₁₅₀樣品進行了表征，確認了TiO₂/TiN異質結構和氮摻雜的存在。

圖3：不同夾層對鋰硫電池電化學性能的影響。

圖4：紫外-可見光譜（UV-vis）和XPS分析了NCFI和NCFI@T₁₅₀樣品對Li₂S₆溶液的吸附能力，以及密度泛函理論（DFT）計算了不同摻雜氮和TiO₂/TiN異質結構對LiPSs的化學吸附效應。

圖5：不同夾層對鋰硫電池充放電曲線、電位差（ΔE）、Q2/Q1比率和CV曲線的影響，以及不同掃描速率下的線性擬合和Li⁺擴散系數的比較。

圖6：解釋了NCFI@T₁₅₀夾層在鋰硫電池中硫的氧化還原過程的作用。

總結展望

本研究成功開發了一種無需使用氨氣和額外氮源的策略，通過簡單的水解和煅燒方法制備了三聚氰胺泡沫衍生的TiO₂/TiN異質結構和氮摻雜改性的多功能碳間層。這種夾層不僅提高了對多硫化鋰的吸附能力，還加速了其電化學轉換，有效抑制了鋰硫電池中的穿梭效應，并顯著提高了電池的比容量和循環穩定性。這項工作為制備高性能鋰硫電池提供了一種有前景的策略。

文獻信息

標題：In Situ Constructing a TiO2/TiN Heterostructure Modified Carbon Interlayer for Balancing the Surface Adsorption and Conversion of Polysulfides in Li–S Batteries

期刊：Advanced Energy Materials

DOI：10.1002/aenm.202400648