锂硫电池因其低成本、高能量密度和环境友好的优点，被认为是下一代高性能电池的有力竞争者。近年来，锂硫电池一直是电化学领域的一大研究热点。然而，锂硫电池仍存在一些问题阻碍其商业化应用，即硫(S8)及其放电产物硫化锂(Li2S)的绝缘性能；S8还原或Li2S氧化的氧化还原动力学缓慢；以及可溶性多硫化锂（LiPSs，Li2Sn，2≤n≤8）中间体的穿梭效应，导致硫活性物质的利用率低，锂硫电池的循环性能较差。
近日，材料与物理学院2019级硕士研究生孔洋同学，在张金勇副教授与深圳大学田冰冰副教授共同指导下，创新性地设计了一种Ni-CeO2异质结掺杂碳纳米纤维（Ni-CeO2-CNF）的锂硫电池正极材料，通过催化-吸附-导电三位一体增强改性的锂硫电池正极能有效解决上述问题。相关成果以“Ni-CeO2 Heterostructures in Li-S Batteries: A Balancing Act between Adsorption and Catalytic Conversion of Polysulfide”为题发表在国际学术期刊《Advanced Science》（影响因子IF=16.8，中科院一区，TOP），我院材料与化工专业2019级硕士研究生孔洋为第一作者，中国矿业大学张金勇副教授、深圳大学田冰冰副教授和南昌大学敖昕副教授为共同通讯作者。Kong, Y., Ao, X., Huang, X., Bai, J., Zhao, S., Zhang, J., Tian, B., Ni-CeO2 Heterostructures in Li-S Batteries: A Balancing Act between Adsorption and Catalytic Conversion of Polysulfide. Adv. Sci. 2022, 2105538.
文章链接https://doi.org/10.1002/advs.202105538
图1 (a) 锂硫电池S@Ni-CeO2-CNF合成示意图及(b) Ni-CeO2-CNF、(c) CeO2-CNF、(d) CNF的工作原理
实验(图2)和理论计算(图3)表明，Ni-CeO2异质结具有较强的化学吸附性、优异的催化活性和良好的导电性，使锚定在异质结上的多硫化锂可以直接从集流体中获得电子而实现S8和Li2S之间的快速转化，同时有效地抑制锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应。因此，采用Ni-CeO2异质结掺杂碳纳米纤维硫正极（S@Ni-CeO2-CNF）的锂硫电池表现出优异的长循环稳定性，即使在2C的高倍率充放电条件下，1000次循环的每圈容量衰减率仅为0.046%。此外，6mg cm-2的高硫载量锂硫电池在0.1C条件循环50次后，仍能实现5.3mAh cm-2的高可逆面容量。具有Ni-CeO2异质结的硫正极能有效地平衡多硫化锂的吸附-转化的热力学和动力学过程，为锂硫电池的实用化提供研发思路和实验基础。
图2 S@CNF、S@CeO2-CNF和S@Ni-CeO2-CNF正极的电化学性能：(a) CV曲线； (b) 0.1 C 下第一个循环的恒电流放电/充电曲线； (c) EIS 曲线； (d) S@CNF、S@CeO2-CNF 和 S@Ni-CeO2-CNF 正极在 (e) 0.5 C 和 (f) 2 C 下的倍率性能和循环性能； (g) S@Ni-CeO2-CNF 正极在 0.1 C 和 6.0 mg cm-2 的高S 负载下的循环性能
图3 (a)Ni、CeO2和Ni-CeO2异质结与S8、Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S2和Li2S的优化结合几何构型和能量；(b)使用DFT计算的Ni、CeO2和Ni-CeO2异质结与S8、Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S2和Li2S的结合能；(c)Ni、CeO2和Ni-CeO2异质结模型从S8到Li2S的放电过程的能量分布图（插图显示了Ni-CeO2异质结模型上中间物质的优化吸附构象）；(d)Ni和Ni-CeO2异质结的总态密度
