Nano Research：Li2ZnTi3O8作为硫宿主材料和隔膜改性剂用于锂硫电池中高效捕获多硫化物和促进Li+快速扩散

第一作者：钱茂

通讯作者：刘浪*，陈嘉嘉*

单位：新疆大学，厦门大学

锂硫电池凭借高理论比容量(1675 mAh g ⁻¹ )和高能量密度(2600 Wh kg ⁻¹ )，被认为是下一代能量存储系统中有希望的竞争者。然而，多硫化锂(LiPSs)的穿梭行为和缓慢的氧化还原动力学，导致锂硫电池实际容量低和循环稳定性差，限制了其进一步应用。目前，单一的改性策略固定宿主/隔膜上的LiPSs能力有限，可溶LiPSs仍会因浓度梯度而发生扩散和损耗。因此，将LiPSs保留在正极一侧，提高硫的利用率，同时确保离子快速传输，加速对LiPSs转化动力学，从实现锂硫电池的优势。

近日，来自 新疆大学刘浪教授联合厦门大学陈嘉嘉教授 ，在国际知名期刊 Nano Research 上发表题为 “Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ as the host-separator modifier with efficient polysulfides trapping and fast Li ⁺ diffusion for lithium-sulfur batteries” 的文章。本工作采用尖晶石结构的Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 作为硫宿主材料和隔膜改性剂，上述协同设计策略促使硫正极和改性隔膜一侧实现互补，有效解决了LiPSs溶解引起转化不足的难题，研究了Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 促进LiPSs转化的作用机理。该材料的双功能应用策略为开发高容量、长寿命的锂硫电池提供了理论支持。

Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 作为锂离子电池负极材料而被熟知，其中锂原子与钛原子按照1∶3比例位于八面体，锂原子位于四面体，该结构有利于Li ⁺ 在三维通道中进行脱嵌。本工作采用溶胶凝胶法制备了尺寸均匀、分散性好的Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 颗粒，具有类似Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ “零应变”的结构稳定性和离子导体特性，提出将其作硫宿主-隔膜改性剂用于锂硫电池。Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 颗粒分散较均匀，暴露了丰富的电化学活性位点。另外，Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 改性隔膜不会增加电池的体积，厚度仅为5 μm，其热稳定性、韧性和润湿性较好。

通过吸附实验、对称电池、塔菲尔曲线和Li ₂ S沉积测试，Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 表现出优异的LiPSs吸附能力以及催化LiPSs转化动力学特性。

一是得益于均匀分散的Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 颗粒提供了丰富的电化学活性位点，提高了硫利用率，减缓正极一侧死硫的积累。二是Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 改性涂层并不会增加电池的体积，而是形成了抑制LiPSs扩散的有效屏障，实现了高效的离子传输通道，增加了Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 转化LiPSs的时间和催化的效率。在0.5 C的电流密度下，Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 双功能改性剂组装的锂硫电池首圈放电比容量达到了1166 mAh g ⁻¹ ，经过400次循环，可逆比容量稳定在918 mAh g ⁻¹ 。除此之外，Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 的引入加速了电池内部电化学反应过程和加快了锂离子扩散速率，锂离子扩散系数高达1.86×10 ⁻⁵ ，2.06×10 ⁻⁵ 和1.44×10 ⁻⁴ cm ² s ⁻¹ 。

Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 硫宿主-隔膜改性剂组装锂硫电池循环后的SEM图片显示Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 可以较好的限制LiPSs从正极迁移到负极，消除了负极侧的副反应。

使用原位拉曼图谱沿着充放电曲线(0.3 C)探测特定的反应中间体。在放电过程中，在503、446和398 cm ⁻¹ 处出现了Li ₂ S ₈ 和Li ₂ S ₆ 的信号以及在202 cm ⁻¹ 处出现微弱的Li ₂ S ₄ 信号。随着电位降低，Li ₂ S ₆ 峰强度减弱，相应地，Li ₂ S ₄ 峰强度增强。直到电压下降到1.7 V，Li ₂ S ₆ 和Li ₂ S ₄ 的信号完全消失。在充电过程中，观察到202 cm ⁻¹ 处Li ₂ S ₄ 信号先增强后减弱。2.35 V时，Li ₂ S ₄ 信号基本消失，Li ₂ S ₆ (398和446 cm ⁻¹ )信号强烈。电压达2.50 V时，未见S8的信号，LiPSs也同样消失，表明在Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ 宿主-隔膜改性剂组装的锂硫电池中，硫氧化还原反应过程中多硫离子的转化可逆。

Li ₂ ZnTi ₃ O ₈ as the host-separator modifier with efficient polysulfides trapping and fast Li ⁺ diffusion for lithium-sulfur batteries

刘浪 教授简介：新疆大学化学学院党委书记，教授，博士研究生导师，教育部创新团队带头人，国务院特殊津贴专家，中国青年女科学家奖获得者，新疆维吾尔自治区有突出贡献秀专家，2009年入选教育部新世纪优秀人才，2017年入选科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才，2018年入选第三批国家“万人计划”科技创新领军人才。主要从事功能材料的研究，先后承担国家自然科学基金、教育部、科技部、自治区及企业等各类课题20余项，在J. Am. Chem. Soc., Mater. Horiz., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Small, Chem. Commun.等重要学术期刊上发表学术论文200余篇，获授权国家发明专利5件，研究成果于2003、2007、2011年年获新疆维吾尔自治区科技进步一等奖，2016年获获新疆维吾尔自治区自然科学一等奖。

陈嘉嘉 教授简介：厦门大学化学化工学院/福建省嘉庚创新实验室双聘教授，蔡启瑞教育发展基金特聘教授，博士生导师，入选中组部海外高层次青年人才计划。课题组围绕着多核簇离子的组装化学及其能源化学应用开展科研工作，迄今在Nature Chem.，Chem，JACS，Nature Commun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，ACS nano等发表SCI论文50余篇。获2022年厦门大学林祖赓青年科技奖一等奖，应邀在国际电化学年会（电化学领域最高级别学术会议）做邀请报告（2019、2023），中国化学会学术年会（2021、2023）及全国电化学大会（2019、2023）等重要系列学术会议上做邀请报告20余次。担任《大学化学》编委、中国化学会《电化学》期刊和Willey《Energy & Environmental Materials》期刊青年编委。近5年主持国家自然科学基金面上项目2项、主持福建省嘉庚创新实验室科技项目1项，以子课题负责人主持人参与科技部重点研发计划1项、福建省高校产学研联合创新项目1项。

钱茂 ，新疆大学化学学院2020级物理化学博士研究生，师从刘浪教授，主要研究方向为纳米材料和锂硫电池宿主/隔膜方面的设计。目前，以第一作者发表论文SCI二区论文三篇、四区论文一篇，主持国家重点实验室博士研究生创新项目(院级)一项。获2019-2020学年、2021-2022学年研究生自治区学业奖学金、2022-2023学年国家奖学金、第七届全国锂硫电池学术研讨会-优秀墙报奖。

刘浪 课题组 长期招募物理化学、无机化学、分析化学、煤化工等相关方向博士后、研究生和科研助理。有意向者请发送简历及代表性论文至liulang@xju.edu.cn。将为博士后人员提供良好的个人职业发展机遇，支持博士后作为负责人申请各类博士后科学基金、国家自然科学基金及自治区、市各级课题。

陈嘉嘉 课题组 长期招收物理化学、无机化学、分析化学等相关方向博士后若干名。感兴趣者请发送简历及代表性论文至JiaJia.Chen@xmu.edu.cn，详见课题组网页。将为博士后人员提供良好的个人职业发展机遇，支持博士后作为负责人申请各类博士后科学基金、国家自然科学基金及省、市各级课题，并根据个人兴趣，全力支持博士后的职业道路。