中南周亮君团队AFM：富氧空位TiO2锐钛矿金红石异相结增强锂硫电池动力学

基于多相硫转化反应的锂硫电池(Li-S)具有优异的理论比容量(1675 mAh g^-1)、比能量密度(2600 Wh kg^-1)、环境友好性和经济效益，被认为是锂离子电池的理想候选者。然而，锂硫电池的大规模应用仍然受到多硫化物(LiPSs、Li₂S_4-8)穿梭效应和氧化还原动力学缓慢的阻碍，硫利用率和循环寿命不理想。

在此，中南大学周亮君教授团队提出了一种新型高性能TiO₂异相结催化剂的合成方法。以碳化钛纳米片为模板材料，聚多巴胺为包覆材料，经特定温度烧结成功制备富氧空位TiO₂锐钛矿/金红石异相结（A/R-TiO₂）。

理论计算表明，费米能级处伴随着电子态的连续分布表示A/R-TiO₂具有金属特性。相比于锐钛矿（A-TiO₂）和金红石（R-TiO₂），A/R-TiO₂的导电性显著提高。

此外，A/R-TiO₂异质界面处电荷的快速转移能够实现LiPSs的有效锚定和催化转化，降低Li₂S分解能垒至几乎为零(0.09 eV )。将A/R-TiO₂催化剂用作锂硫电池隔膜修饰剂，显著提高了电池性能。

图1. 电子结构表征

总之，该工作成功设计了具有丰富氧空位的TiO₂锐钛矿/金红石异相结作为锂硫电池隔膜修饰剂。实验表征和理论计算表明，富氧空位且近乎完美的晶格匹配不仅有利于提高TiO₂异相结的导电性，而且有利于硫氧化还原动力学的增强。

即使在高硫载量3.75 mg cm^-2下，使用A/R-TiO₂改性隔膜锂硫电池在0.1 C和1 C的比容量分别高达1210 mAh g^-1和689 mAh g^-1。此外，采用A/R-TiO₂改性隔膜的软包电池具有稳定的电化学性能，该工作为界面能带工程在锂硫电池中的应用提供了新的方向。

图2. 锂硫电池的电化学性能

Integrating Energy Band Alignment and Oxygen Vacancies Engineering of TiO2 Anatase/Rutile Homojunction for Kinetics-Enhanced Li–S Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305788

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