武汉大学&康奈尔大学丨ACS Energy Lett.：运用原位XRD与冷冻电镜技术研究高性能Li-S电池动态硫载体的作用机制

【本文亮点】

近日，武汉大学柯福生副教授团队与康奈尔大学Héctor D. Abruña教授团队（共同通讯）首次提出动态硫载体材料的概念，并以TiS2载体材料为例子，通过原位XRD和冷冻电镜技术探究充放电过程中的变化机理。原位XRD研究结果表明，在放电过程中，Li⁺首先进入到TiS₂层间形成Li_xTiS₂ (0<x<1)，随后Li+继续进入TiS2层间与硫的锂化反应同时发生；放电结束时，形成LiTiS₂和Li₂S相；充电过程中，Li⁺从LiTiS₂相中脱出，充电结束后，最后形成的是Li_xTiS₂ (0<x<1)，并不是TiS₂相，仍有部分Li⁺在TiS₂层间未脱出。因此在充放电过程中载体材料TiS₂相已不再存在，由动态变化的Li_xTiS₂ (0<x≤1)取代，故与充放电过程中硫的氧化还原产物之间相互作用的是Li_xTiS₂ (0<x≤1)，而不是起始的载体材料TiS₂。结合理论计算，我们发现动态变化的Li_xTiS₂ (0<x≤1) 在放电过程中对多硫化锂具有很强的作用，而在充电过程中对Li₂S具有催化分解作用，CV结果也印证了这一结论。同时，TiS₂-S电极表现出优良的电化学性能，0.3 C电流密度下，充放电200周后，容量为1120 mAh g-1;在较大的电流密度下(1.0 C),充放电200周，容量为886 mAh g^-1，1000周后，容量仍为613 mAh g^-1。

该成果“Dynamic Hosts for High-Performance Li−S Batteries Studied by Cryogenic Transmission Electron Microscopy and in Situ X-ray Diffraction”发表在ACS Energy Letters上。武汉大学硕士生刘晓晨和康奈尔大学的博士生Yao Yang为文章的共同第一作者。

【图文解析】

图1 (a) TiS₂-60S复合物的Cryo-HAADF-STEM图；(b)(c)(d)分别为S, Ti和S vs. Ti的XEDS元素分布图；(e)标准物质TiS₂(黑色线)，TiS₂-S复合物(蓝色线)，TiS₂区域(红色线，d图中左侧框)，S区域(绿色线，d图中右侧框)的XEDS图谱。

图2 在0.3 C 电流密度下，(a) TiS₂-60S电极和(b) BP2000-60S电极的循环稳定性；在不同电流密度下，(c)TiS₂-60S电极的倍率性能及(d)充放电曲线；(e) TiS2-60S电极在1.0 C下的长循环性能，前十周在0.1 C下活化。

图3 (a) 在50 mA g^-1下，TiS₂电极前四周的充放电曲线以及原位XRD图；(b) TiS₂电极充放电过程中前四周XRD图；(c) 在0.1 C下，TiS₂-60S电极前三周的充放电曲线以及原位XRD图；(d) TiS₂-60S电极充放电过程中前三周XRD图。

图4 S₈, Li₂S₈, Li₂S₆, Li₂S₄, Li₂S₂和Li₂S与TiS₂, Li_xTiS₂ (0<x≤1)以及碳材料之间的吸附结合能。

【总结】

该工作首次提出动态硫载体材料的概念，并系统研究了锂化后的载体材料对锂硫电池的性能影响。动态硫载体概念的提出揭示了部分具有储锂性质的载体材料在真实电池体系中的作用机制，对硫载体材料的设计以及锂硫电池的发展具有重要意义。

【文献信息】

Xiao-Chen Liu, Yao Yang, Jingjie Wu, et al., Dynamic Hosts for High-Performance Li−S Batteries Studied by Cryogenic Transmission Electron Microscopy and in Situ X-ray Diffraction, ACS Energy Letters, 2018, 3, 1325-1330.

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿 | 武汉大学柯福生团队

编辑 | 吴禹翰

主编 | 张哲旭

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