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1研究背景
随着全球能源需求的日益增长和环境问题的日益严峻，开发新型高效能源存储系统变得尤为重要。锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度（2600 Wh kg^-1）和良好的环境兼容性而备受关注。然而，Li-S电池的实际应用面临着硫物种反应动力学缓慢和锂多硫化物（LiPSs）的穿梭效应这两大挑战。为了解决这些问题，研究者们采用了极性过渡金属化合物（TMCs）作为催化材料，如金属氧化物、碳化物、磷化物和硫化物等，以增强Li-S电池的电化学性能。然而，单一极性组分难以同时具备高导电性、强吸附能力和高催化活性这三个电催化剂所需的特性。因此，构建异质结构催化剂，通过结合高导电性碳化物和极性氧化物，展现出协同的吸附和催化效应，成为一种有前景的策略。此外，TMCs电催化剂在富含多硫化物的环境中可能会发生动态硫化，这可能会改变催化剂的真实活性位点和催化过程，但这一效应尚未得到充分研究。
2成果简介
在这项研究中，研究团队成功合成了分散在多孔碳基底上的WC-WO3异质纳米颗粒（WC-WO3/C），作为高效LiPSs转化的促进剂。这些纳米颗粒结合了WO3的强吸附能力和WC的优异电导率。通过原位表征技术，研究了WC-WO3异质纳米颗粒在电化学过程中的动态硫化行为。研究发现，在与LiPSs相互作用过程中，WC-WO3异质纳米颗粒会转化为WS2，这一新活性相显著增强了Li2S的双向红氧化反应。装配有WC-WO3-WS2/C@S阴极的Li-S电池展现出卓越的循环稳定性，在2 C下经过800个循环后容量保持率为95.3%。此外，该研究还制备了能量密度达到423.3 Wh kg^-1的Li-S软包电池，显示出WC-WO3-WS2/C@S阴极的实际应用潜力。3图文导读
图1 (a) WC-WO3/C的复合流程图。(b) WC-WO3/C的X射线衍射（XRD）图案。(c) WC-WO3/C的扫描电子显微镜（SEM）图像，(d) 透射电子显微镜（TEM）图像，和 (e) 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。(f) 扫描透射电子显微镜-高角环形暗场（STEM-HAADF）图像和能量色散光谱（EDS）元素分布图。(g) W 4f的高分辨X射线光电子能谱（XPS）谱图。图2 (a) WC-WO3/C、WC/C和WO3/C的Li2S6溶液的紫外-可见光谱（UV-vis）图。(b) Li2S6、Li2S4和Li2S2在WC-WO3表面的吸附构型。(c) 在WC-WO3、WC和WO3表面上硫物种吸附的计算结合能。(d) WC-WO3、WC和WO3的态密度（DOS）分析。(e) 不同催化剂的线性扫描伏安（LSV）曲线和 (f) 对应的Tafel图。(g) 使用Li2S6作为电解液的WC-WO3/C、WC/C和WO3/C对称电池的循环伏安（CV）曲线。(h) WC-WO3/C、(i) WC/C和 (j) WO3/C的Li2S成核曲线。图3 (a) 原位拉曼电池的示意图。(b) WC-WO3/C@S阴极在初始充放电循环中的恒流充放电（GDC）曲线和原位拉曼光谱。(c) 经过两个恒流充放电循环后的WC-WO3/C@S阴极的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。(d) 经过两个恒流充放电循环后的WC-WO3/C@S阴极的W 4f XPS谱图。图4 (a) WC-WO3-WS2/C和WC-WO3/C的Li2S6对称电池的循环伏安（CV）曲线。(b) 恒电位Li2S沉积曲线。(c) Li2S溶解曲线。(d) 不同阴极的CV曲线。(e) CV曲线中峰2和 (f) 峰3的Tafel图。(g) WC-WO3/C在电化学过程中硫化过程的示意图。图5 (a) 不同阴极的CV曲线。(b) 不同阴极的倍率性能。(c) 0.2 C下的循环性能。(d) 2 C下的长期循环性能。(e) 高硫载量下WC-WO3-WS2/C@S阴极的循环性能。(f) 使用WC-WO3-WS2/C@S阴极的软包电池的内部结构示意图。(g) 使用WC-WO3-WS2/C@S阴极的软包电池在0.05 C下的循环性能。(h) 由软包电池点亮的LED灯。 4小结
这项研究阐明了WC-WO3异质纳米颗粒在富含多硫化物的环境中电化学过程中的动态硫化行为。在WC-WO3异质纳米颗粒表面形成的新活性相WS2显著增强了LiPSs的红氧化动力学，并表现出对Li2S氧化和还原的双向催化效应。因此，配备WC-WO3-WS2/C@S阴极的Li-S电池在200个循环后显示出96.5%的循环稳定性（0.2 C）和在800个循环后95.3%的循环稳定性（2 C）。此外，研究者们还实现了一个Ah级Li-S软包电池，其能量密度达到了423.3 Wh kg^-1，突出了WC-WO3-WS2/C@S阴极的实际应用潜力。这项研究为理解硫化行为在调节LiPSs红氧化动力学中的作用机制提供了深入的认识，并可能激发基于硫化的电催化剂设计的进一步努力，以实现高性能Li-S电池。文献：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119790
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