北京理工大学吴锋院士-谭国强教授团队Small：石墨烯对Li₂S阴极的电催化及限域优化，助力高效稳定锂−硫电池

文章信息

石墨烯对Li₂S阴极的电催化及限域优化，助力高效稳定锂−硫电池！

第一作者：张俊凡，赵博

通讯作者：谭国强*

单位：北京理工大学

研究背景

锂硫电池因具有高的理论比容量而长期以来广受关注。其中，Li₂S作为高容量含锂正极，由于能够避免金属锂的使用，进而提升电池的安全性能，具有广阔的应用前景。然而，Li₂S电极电导率低，活性势垒高，中间多硫化物溶解严重，导致电池库仑效率低，容量衰减快。研究表明，借助添加高效的氧化还原介质以合理设计 Li₂S 正极，对于改善电化学反应动力学以及提升 Li₂S 正极的电子与离子电导率起着极为关键的作用。其中，Li₂S 与碳材料的同步构建已被证实是优化电子结构和电导率的有效策略。

研究内容

基于此，北京理工大学吴锋、谭国强教授团队于国际著名期刊《Small》刊载了题为 “Optimizing Electrocatalysis and Domain Effects of Graphene on Li₂S Cathodes for High-Efficient-Stable Li─S Batteries” 的学术论文。在该项研究中，团队深入剖析了两种石墨烯针对硫化锂所展现出的电催化效应与限域效应，成功揭示出 Li₂S 的活化进程与石墨烯电催化作用之间此前未曾被认知的内在关联性，以及 Li₂S 的稳定性与石墨烯结构域之间的构效关联逻辑。其中，经特殊设计而构建的 Li₂S@graphene 正极呈现出核壳结构与 S─C 相互作用特性，其具备卓越的电催化活性与电化学可逆性，在实验过程中展出低过电位、高比容量以及优异的循环性能等显著优势。尤为关键的是，Li₂S@graphene 正极于各类电解质环境中均呈现出良好的化学相容性。该项研究成果为高性能 Li₂S – graphene 正极材料的后续开发工作提供了崭新的研究思路与深刻的学术洞见。

图文导读

图1. a) Li₂S/graphene和b) Li₂S@graphene的材料合成示意图，c, d) Li₂S, e, f) Li₂S/graphene, g, h) Li₂S@graphene的TEM图像。

图2 纯Li₂S、Li₂S/graphene和Li₂S@graphene电极的a) XRD谱图，b) 拉曼光谱，c) XANES谱，d) Li 1s XPS谱。

图3 a) Li₂S团簇在完美石墨烯和含1-C、2-C、4-C、6-C和12-C缺陷石墨烯上的结合结构。b) Li₂S在缺陷石墨烯上以C─S形式结合。c) Li₂S在缺陷石墨烯上不以C─S形式结合。颜色代号：C为棕色，S为黄色，Li为绿色。完美石墨烯和缺陷石墨烯上Li₂S团簇分解的d) 能量分布图和e) 势能图。

图4 扫描速率从0.1 mV s⁻¹增加到0.5 mV s⁻¹时， a) 纯Li₂S、b) Li₂S/graphene和c) Li₂S@graphene电极的CV曲线。d-f) 纯Li₂S、b) Li₂S/graphene和c) Li₂S@graphene电极的氧化与还原峰的CV峰值电流与扫描速率的平方根的关系。g-i) 纯Li₂S、b) Li₂S/graphene和c) Li₂S@graphene电极在110 mA g⁻¹时的初始电压分布。j) 纯Li₂S、b) Li₂S/graphene和c) Li₂S@graphene电极的循环性能。k) Li₂S@graphene复合材料在不同电解质体系中的循环性能。

图5 a) Li₂S、b) Li₂S/graphene、c) Li₂S@graphene电极不同阶段初始充放电曲线的非原位SEM图像。d, e) Li₂S@graphene电极在不同SOC和不同DOD下的原位核磁共振谱。

研究结论

本研究聚焦于石墨烯结构对 Li₂S 电子性能所产生的影响。借助计算手段与电化学分析方法，对石墨烯的最佳电催化效应与畴效应予以证实。在特定的 Li₂S@graphene 核壳结构中，存在强 C─S 化学键，该化学键有效优化了 Li₂S 的电催化性能及其结构稳定性，使得 Li₂S 的电荷过电位显著降低。此外，核壳 Li₂S@graphene 电极于各类电解质体系中均展现出可观的应用潜力。这种经精心设计的石墨烯结构成功突破了传统 Li₂S/C 电极所面临的主要局限，而合理的结构分析亦为高性能 Li₂S 复合正极的开发贡献了极具价值的材料工程学层面的深刻见解。

文章链接

Optimizing Electrocatalysis and Domain Effects of Graphene on Li₂S Cathodes for High-Efficient-Stable Li─S Batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202409172

第一作者简介

张俊凡，2024年6月博士毕业于北京理工大学吴锋院士谭国强教授团队，现为内蒙古工业大学新能源学院副研究员，研究方向为锂硫、锂/钠离子电池关键材料的设计开发。目前以第一作者身份在Adv. Funct. Mater、Nano Energy、Small等期刊发表SCI论文8篇。曾获北京市优秀博士毕业生、国家奖学金、优秀毕业论文等多项荣誉。

赵博，北京理工大学2019级博士，师从谢静教授，于2024年6月毕业并入职河南科技大学材料科学与工程学院，讲师。研究方向为锂硫电池正极材料的设计与制备。在Acta Materialia、Small、Nano Energy等期刊发表SCI论文11篇。

通讯作者简介

谭国强教授简介：北京理工大学长聘教授、博士生导师，国家级青年人才。主要从事新能源材料、高比能电池、电池失效分析、再生利用及机器学习方面的研究。研究体系包括金属离子电池、金属−硫族/卤族电池、固态电池、智能电池等。发表SCI学术论文80余篇，申请/授权国家发明专利20余项，出版教材/专著2本，受邀做学术报告40余次。