EEM | 南开大学高学平研究员：高熵尖晶石氧化物纤维作为催化活性硫载体用于高重量/体积容量锂硫电池

近日，南开大学高学平研究员/南昌大学张泽副教授合作在Energy & Environmental Materials上发表题为“High-Entropy Spinel Oxide Nanofibers as Catalytic Sulfur Hosts Promise the High Gravimetric and Volumetric Capacities for Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文，为高熵材料在锂硫电池中的应用提供了新思路。第一作者：田丽媛。

引言：

锂硫电池理论能量密度高达2600 Wh/kg或2800 Wh/L，被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一。然而，多硫化锂穿梭引起的容量衰减、电极反应动力学缓慢等问题，严重限制了其实际应用。此外，锂硫电池的体积能量密度较低，进一步降低了锂硫电池在未来应用市场的竞争力。目前，主要通过金属化合物（如氧化物）吸附多硫化锂，并促进其转化过程。需要指出的是，相比碳材料，金属氧化物具有更高的振实密度，更利于获得高体积容量硫正极。同时，考虑到金属氧化物导电性差，通过结构纳米化设计，可促进电荷传输。基于此，该工作报道了一种高熵氧化物纳米纤维作为硫载体，不仅可通过化学吸附多硫化锂，催化硫电极反应，还可提高硫正极振实密度，从而获得兼具高重量比容量和高体积比容量的锂硫电池。

文章简读

该工作以静电纺丝法制备了高熵尖晶石氧化物纳米纤维(Mg_0.2Mn_0.2Ni_0.2Co_0.2Zn_0.2Fe₂O₄，以HEO代替)，并将其作为硫载体应用于锂硫电池，系统研究了HEO在锂硫电池中的作用机制。结果表明：HEO载体中多种金属位点可协同强化对多硫化锂的化学吸附，加快多硫化锂转化反应动力学。所制备的S/HEO正极在 0.1 C 和5 C倍率下放电比容量分别可达 1368.7、632.1 mAh g^-1。此外，在高硫负载量（4.6 mg cm^-2）或低电解质/硫比（5 μL mg^-1）的条件下，S/HEO复合材料仍能表现出优异的倍率性能和循环稳定性。更重要的是，S/HEO 复合材料振实密度可达1.92 g cm^-3，体积比容量高达2627.9 mAh cm^-3 ，是硫/碳纤维（S/CNF）复合材料的 2.5 倍。这种以高熵氧化物为催化活性硫载体的思路为提高锂硫电池重量/体积容量提供了一种可行方案。

图文简介

图1. 结构表征： (a) HEO的SEM图；(b-d) HEO的TEM 图和电子衍射图案；(e) HEO和S/HEO的XRD谱；(f) S/HEO的热重曲线；(g) HEO和S/HEO的等温吸附-脱附曲线；(h-j) S/HEO的TEM图和EDS图。

图2. 锂硫电池性能：(a) S/HEO和S/CNF的CV曲线；(b) S/HEO和S/CNF倍率性能；(c) S/HEO和S/CNF充放电曲线；(d, e) S/HEO和S/CNF循环性能；(f) 不同硫负载S/HEO在0.1 C倍率下循环性能；(g) 不同电解液用量下S/HEO的循环性能.

图3. 动力学性能测试：(a) S/HEO电极不同扫速下的CV曲线，(b-d) 不同峰电流与扫速平方根的线性关系图，(e) 不同材料表面Li₂S成核测试，(f) 不同材料表面Li₂S溶解测试。

图4. 电化学阻抗谱分析：(a) 0.1 C倍率下S/HEO首周放电曲线，(b) S/HEO电极不同放电深度的EIS谱，(c) S/CNF电极不同放电深度的EIS谱，(d-f) EIS拟合结果分析。

作者介绍

张泽，南昌大学化学化工学院副教授，赣江青年学者，硕士生导师。研究兴趣为锂离子电池、锂硫电池关键材料。以第一作者和通讯作者在Adv. Energy Mater., Energy Environ. Mater., Chem. Eng. J., Chem. Commun., Sci. China Mater., 和Carbon等期刊上发表SCI论文20余篇，主持国家级及省部级基金三项。

高学平，南开大学材料科学与工程学院研究员，长期从事新能源材料与化学电源研究，包括锂离子电池、锂硫电池、光储能二次电池及关键材料。作为通讯作者发表学术论文近200篇，部分成果发表在Energy Environ. Sci., (7篇), Adv. Mater. (4篇), Adv. Energy Mater. (3篇)，Adv. Funct. Mater. (4篇), JACS (3篇) , Angew. Chem. (2篇) 和Nat. Commun.(1篇)等期刊上。论文共被SCI他人引用1.8万余次，h指数78。连续七年(2014-2020)入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者。获2003和2015年度天津市自然科学二等奖(第一完成人)，获2005年度国家科技进步二等奖(第六完成人)。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12215?utm_medium=display&utm_source=xmol&utm_campaign=R243R5C&utm_content=DA35_Xmol_Journal_article_campaign_RM-CHINA_AGT_R243R5C_display_eem2.12215

Liyuan Tian, Ze Zhang*, Sheng Liu, Guoran Li, and Xueping Gao*, High-Entropy Spinel Oxide Nanofibers as Catalytic Sulfur Hosts Promise the High Gravimetric and Volumetric Capacities for Lithium-Sulfur Batteries. Energy Environ. Mater. 2021. DOI: 10.1002/eem2.12215.

《能源与环境材料（英文）》（Energy & Environmental Materials）创刊于2018年，是由郑州大学和Wiley出版集团共同主办的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。期刊2022年度影响因子为15，JCI指数1.58，5年影响因子16.5，2022年度CiteScore为20.5，SNIP指标为2.425。在材料科学各领域位列前茅，其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD等数据库。